مفاعل الاندماج ثلاثي ألفا بلازما

كما تعلمون ، سيستمر التفاعل النووي الحراري لخليط الديوتريوم والتريتيوم حتى في درجة حرارة الغرفة ، ببطء شديد بحيث لا يكون ذا أهمية. لتحقيق إطلاق الطاقة الصناعية (1-10 ميغاوات لكل متر مكعب) ، من الضروري تهيئة الظروف لحبس البلازما مع درجة حرارة 100-200 مليون درجة وكثافة 1 ... 2 * 10 ^ 20 جزيئة لكل متر مكعب. عند هذه المعلمات ، يبدأ النظام في التوازن الذاتي (في tokamaks) - تتم مقارنة إطلاق الطاقة مع التسربات وتكلفة تسخين أجزاء جديدة من الوقود. هذه الأرقام المتطرفة هي منطقة اهتمام لجميع مطوري المفاعلات النووية الحرارية ، وإنجازها هو مهمة عقود عديدة من تطوير مفهوم الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة (TCF). GDL


مصيدة مفتوحة — . . .


كما كتبت في البرنامج التعليمي عن فيزياء توكاماك ، فإن المشكلة الرئيسية لهذه البلازما هي تسرب الحرارة منها. يحاولون حل هذه المشكلة بطريقتين - من خلال إنشاء مصائد مغناطيسية كبيرة الحجم (أهمها ITER) ، حيث يساوي التسخين الخارجي والداخلي التبريد في التركيبات النبضية ، حيث تحترق البلازما المضغوطة إلى المعلمات النووية الحرارية بعنف لدرجة أنها تطلق ما يكفي من الطاقة النووية الحرارية من أجل تلك المللي ثانية التي تبرد. ومع ذلك ، بالنسبة لمثل هذا النظام ، يجب تسخين البلازما أكثر وضغطها أكثر (وإن كان لفترة وجيزة) من الفخاخ المغناطيسية الدائمة. التقدم في هذا المسار أكثر حزنًا من التوكاماك بسبب عدم الاستقرار الأساسي للبلازما ، والتي عند ضغطها ، "تنزلق" خارج المجال المضغوط وتبدد ، وتفقد درجة الحرارة والكثافة.


على سبيل المثال ، يعد MagLIF أحد الخيارات الأكثر تقدمًا لـ TCB النبضي .

في محاولات اتباع هذا المسار ، لفت الباحثون في السبعينيات الانتباه إلى دوامات البلازما ، التي تسمى FRCs (التكوينات المعكوسة ميدانيًا) ، المشابهة في هيكل حلقات دخان التبغ.


دوامة البلازما FRC مع مجال بولودي مغناطيسي مجمد (أزرق) ، "عفوي" في مجال مغناطيسي طولي (أخضر).

تبين أنها تشكيلات مستقرة وطويلة الأمد. من السهل إدارتها - التسريع والضغط والدمج والفصل. علاوة على ذلك ، كان لديهم ميزة مهمة للغاية - كان ضغط المجال المغناطيسي المجمد الخاص بهم قريبًا من ضغط البلازما ، أي كان التصميم مناسبًا تمامًا لتحقيق معايير درجات الحرارة والضغط العالية بسهولة. الآن ، جنبًا إلى جنب مع أبسط تشكيل البلازما z-pinch المتعاقد ذاتيًا ، فإنهم ضيوف كثيرون في أفكار المفاعلات النووية الحرارية النبضية ... حيث تم تدمير أي تشكيلات أخرى للبلازما إما بسبب عدم الاستقرار أو ببساطة مشتتة في الفضاء أثناء الضغط ، وعد FRC بفوائد ملموسة.


يمكن العثور على FRC في العديد من المفاعلات. على سبيل المثال ، في تجربة بلازما لاينر من مختبر لوس ألاموس الوطني.

في عام 1997 ، اقترحت الولايات المتحدة مفهوم مفاعل انصهار الشعاع المصطدم (CBFR) ، وهو عبارة عن دائرة نابضة حيث تصادم اثنان من دوامات البلازما المنتشرة من نوع FRC وضغطها في وسط الآلة بواسطة مجال مغناطيسي نابض ، مما يشكل بلازما ذات كثافة ودرجة حرارة كافية لإشعال تفاعل نووي حراري. في الوقت نفسه ، يضمن استخدام FRC بقاء هذه البلازما في ظل ظروف احتراق تفاعل نووي حراري يكفي لطاقة الاندماج المخصصة لتكون كافية للتشغيل الفعال من حيث التكلفة لمحطة الطاقة ، بما في ذلك تكاليف تشغيل CBFR نفسها. بالطبع ، إذا كان مفهوم وحسابات المؤلفين صحيحين تمامًا.


لذلك في التسعينات ، قاموا برسم مولد 100 ميجاوات بناءً على مفاعلين نبضيين بقوة 50 ميجاوات CBFR.


CBFR: 2 FRC . .

بناءً على هذا المفهوم ، طورت العديد من الشركات الناشئة على الفور فكرة CBFR. كانت Helion Energy و Tri Aplha Energy أكثر نجاحًا من حيث جمع الأموال. يحاول الأول إنشاء مفاعل بناءً على تفاعل D + He3 ، معلناً أنه يحصل على درجة حرارة 5 كيلو فولت ، ومجال 100 تيرا وعمر 1 مللي ثانية على النموذج الأولي. كثافة البلازما الخاصة بهم غير معروفة ، ولكن بافتراض أن 10 جزيئات 20 متر لكل متر مكعب متكررة لمثل هذه التجارب ، فهي أسوأ 100 مرة من التعادل (ناتج الطاقة يساوي تكلفة التدفئة والضغط ، دون مراعاة تكلفة التركيب) لتفاعل D + T ، و أسوأ بحوالي 50000 مرة مما هو مطلوب لمفاعل يعمل. ومع ذلك ، فإن المعدات التي يبدو أنها وصلت إليها هذه القيم تجعل المرء يشك في الأرقام المطالب بها.


تركيب مختبر Helion.

ومع ذلك ، فإن منافسيهما Tri Alpha (التي أسسها مطورو مفهوم CBFR نورمان روستوكر وهيندريك مونخورست) لديهم طموحات كبيرة - لاستخدام أكثر تفاعلات p + B تعقيدًا للطاقة النووية الحرارية ومفاعل أكبر لتنفيذ هذه الأفكار و 150 موظفًا.


في غرفة التحكم في النموذج الأولي لمفاعل Tri Alpha.

ميزة التفاعل المختار هي عدم وجود النيوترونات التي تنشط المفاعل وتحوله إلى جسم نووي ، وإمدادات غير محدودة من المصادر (على عكس الليثيوم لتفاعل D + T أو الهيليوم -3 غير موجود بالفعل على الأرض لـ He3 + D). العيب هو أكثر بكثير (60 مرة) ظروف احتراق البلازما القاسية ، ومشاكل كبيرة مع أشعة غاما الزائفة.


من الناحية النظرية ، يستخدم TAE نفس المفاعل المستخدم في Helion ، فقط 10 مرات أكثر.


حالة التثبيت الحالية. تظهر حاقنات النبض للجسيمات المحايدة (البراميل الرمادية حول المفاعل).

لقد جمع تريفي ألفا في كاليفورنيا بالفعل أكثر من 100 مليون دولار من الاستثمارات (بما في ذلك من RUSNANO (!) ، وبالتالي فإن A. Chubais هو أحد أعضاء مجلس إدارة الشركة ، وتقدم الشركة طلبات المعدات في روسيا) ، مما سمح لهم باستخدام الكثير أكبر من مقياس المختبر. يشبه النموذج الأولي لمفاعل "C2" الذي يبلغ طوله 23 مترًا إلى حد ما مصائد INP المفتوحة (كما في الصورة الأولى) - أنبوب ملفوف في مجموعة من الملفات اللولبية عند حوافها يتم إنشاؤها في دوامات FRC وتتسارع إلى 250 كم / ثانية في المركز.


داخل الغرفة المركزية C2.

بشكل عام ، يعد هذا تثبيتًا متقدمًا إلى حد ما يستخدم أحجار التيتانيوم لإنتاج حاقن محايدة مفرغة فائقة النفاثة ميغاوات ( تنتجها نوفوسيبيرسك INP ) التي تنشئ ملفات تعريف كثافة الأيونات اللازمة في المفاعل ، وأقطاب نبضية رباعية القطب لمكافحة عدم الاستقرار الحركي ، والعديد من الأدوات لتشخيص فيزياء الظواهر التي تحدث.


مجموعة من أدوات التشخيص في التثبيت C2.

وبالتالي ، يقترب التثبيت من tokamaks المتقدمة في أواخر السبعينيات من حيث التعقيد والمهام ، ومع ذلك ، على النقيض من العلوم الكبيرة (العسكرية جزئيًا) التي تمولها الدولة ، فهذه أيادي خاصة تمامًا.


نبض نوفوسيبيرسك عن طريق الحقن محايد قرب.

في عام 2015 ، أعلنت شركة Tri Alpha أنها تمكنت في السنوات الأخيرة من زيادة وقت حبس البلازما 10 مرات (حتى 5 مللي ثانية) ، والوقت محدود بطول النبض لنظام NBI والآن يرون مسارًا واضحًا لتثبيت "C3" واسع النطاق ، والذي سيتم الانتهاء منه في عام 2017. من المخطط تحقيق مستوى كافٍ للكسر D + T (نظريًا ، حيث أن التثبيت سيعمل فقط على الديوتريوم ، دون استخدام التريتيوم) مع درجة حرارة البلازما 100 مليون درجة (10 كيلوفولت) ووقت الاحتفاظ 1 ثانية. حتى الآن ، تم تحقيق هذا المستوى في توكاماك - JET الأوروبية و JT-60U اليابانية ، ومع ذلك ، يكلف كلا المشروعين مليار دولار على الأقل ، وقد تم إنشاؤه من خلال الجهود المشتركة لعدة دول


Tokamak JT-60SA أثناء التفكيك. من المثير للاهتمام أن الأعمدة الرمادية على اليسار هي أيضًا حاقنات شعاع محايدة ، كما هو الحال في C2.

خطط TAE الأخرى غير معروفة جيدًا. لا تحب الشركة الدعاية على الإطلاق (ليس لديها حتى موقع ويب). كما هو الحال في مفاعلات المصيدة المفتوحة ، من المخطط في المستقبل استخراج الطاقة عن طريق التحويل المباشر - لإبطاء الأيونات والإلكترونات وقصرها في أقطاب جهاز خاص. الكفاءة وخاصة سعر مثل هذه الطريقة أفضل عدة مرات من محولات التوربينات الحرارية التقليدية. هناك اقتراحات لاستخدام مثل هذه الآلات مثل المحركات النفاثة للمركبات الفضائية (hi Wiverjet!). حتى الآن ، يمكن القول أنه من بين جميع المفاهيم البديلة ، تعد هذه واحدة من أكثر المفاهيم الواعدة ، لكن المقبرة العملاقة للمفاهيم الواعدة للمفاعلات النووية الحرارية الموجودة اليوم تجعلنا نشير إلى هذه الشركة الناشئة بنصيب معين من الشك. حسنًا ، في غضون بضع سنوات فقط ، سنرى ولادة الطاقة النووية الحرارية (سأذكرك أيضًا بالجنرال فيوجن ) ، أو غروب آخر مغمور لبدء آخر واعد.

Source: https://habr.com/ru/post/ar384089/