ثورة نووية حرارية هادئة

ربما لا يوجد مجال واحد للنشاط البشري مليء بخيبة الأمل ورفض الأبطال كمحاولات لخلق طاقة نووية حرارية. المئات من مفاهيم المفاعلات ، وعشرات الفرق التي أصبحت باستمرار هي المفضلة للميزانيات العامة وميزانيات الدولة ، وأخيرًا قررت نوعًا ما الفائز على شكل توكاماك. وهنا مرة أخرى ، تحقّق إنجازات علماء نوفوسيبيرسك الاهتمام حول العالم بمفهوم داس بوحشية في الثمانينيات. والآن بمزيد من التفصيل.


GDL فخ مفتوح مع نتائج رائعة

من بين مجموعة كاملة من المقترحات ، فإن كيفية استخراج الطاقة من الانصهار النووي الحراري هي الأكثر توجهاً نحو الحبس الثابت لبلازما نووية حرارية فضفاضة نسبيًا. على سبيل المثال ، مشروع ITER وعلى نطاق أوسع - فخاخ حلقية tokamaki و stellarators - من هنا. إنها حلقية لأنها أبسط شكل وعاء مغلق للحقول المغناطيسية (بسبب نظرية تمشيط القنفذلا يمكن صنع وعاء كروي). ومع ذلك ، في فجر البحث في مجال الانصهار الحراري الحراري الخاضع للرقابة ، لم تكن المفضلة هي فخاخ الهندسة المعقدة ثلاثية الأبعاد ، ولكنها كانت محاولات لإبقاء البلازما في ما يسمى بالفخاخ المفتوحة. عادة ما تكون هذه أيضًا أوعية مغناطيسية على شكل أسطواني يتم فيها الاحتفاظ بالبلازما جيدًا في الاتجاه الشعاعي وتتدفق من كلا الطرفين. فكرة المخترعين بسيطة هنا - إذا استمر تسخين البلازما الجديدة عن طريق تفاعل نووي حراري أسرع من تدفق الحرارة من النهايات ، فليباركه الله ، مع انفتاح وعاءنا ، سيتم توليد الطاقة ، وسيظل التسرب يحدث في وعاء فراغ وسيستمر الوقود يمشي في المفاعل حتى يحترق.


إن فكرة المصيدة المفتوحة عبارة عن أسطوانة مغناطيسية بها فلين / مرايا في النهايات وموسعات خلفها.

بالإضافة إلى ذلك ، في جميع المصائد المفتوحة ، يتم استخدام طريقة أو أخرى لمنع البلازما من الهروب عبر النهايات - والأبسط هنا هو زيادة المجال المغناطيسي بشكل حاد في النهايات (ضع "المقابس" المغناطيسية في المصطلحات الروسية أو "المرايا" في الغربية) ، بينما في الواقع ، ستخرج الجسيمات المشحونة بالحادث من مرايا المرآة ولن يمر عبرها سوى جزء صغير من البلازما ويسقط في موسعات خاصة.


وتصويرًا أقل تخطيطيًا قليلاً لبطلة اليوم - يتم إضافة غرفة فراغية تطير فيها البلازما وجميع المعدات الأخرى.

أول تجربة باستخدام مصيدة "مرآة" أو "مفتوحة" - تم وضع Q-cucumber في عام 1955 في المختبر الوطني الأمريكي لورانس ليفرمور. لسنوات عديدة ، أصبح هذا المختبر رائدًا في تطوير مفهوم TCB على أساس الفخاخ المفتوحة (OL).


التجربة الأولى في العالم - فخ مفتوح مع مرايا مغناطيسية Q-cucumber

مقارنة بالمنافسين المغلقين ، يمكن كتابة مزايا OL بهندسة أبسط بكثير للمفاعل ونظامه المغناطيسي ، مما يعني تكلفة منخفضة. لذلك ، بعد سقوط أول مفضل من مفاعلات TCB - Z-pinch ، تتلقى المصائد المفتوحة الأولوية القصوى والتمويل في أوائل الستينيات ، حيث تعد بحل سريع لقليل من المال.


أوائل الستينيات ، فخ سطح الطاولة

ومع ذلك ، لم يستسلم الضيق عن طريق الصدفة. ارتبطت جنازته بمظهر طبيعة البلازما - عدم الاستقرار الذي دمر تكوينات البلازما عند محاولة ضغط البلازما بمجال مغناطيسي. وهذه الميزة الخاصة ، التي تمت دراستها بشكل سيئ قبل 50 عامًا ، بدأت على الفور في التدخل بشكل مزعج مع مجربي المصائد المفتوحة. إن عدم استقرار الفلوت يجعل النظام المغناطيسي أكثر تعقيدًا من خلال إدخال ، بالإضافة إلى ملفات لولبية بسيطة مستديرة ، "عصي Joffe" و "مصائد البيسبول" و "لفائف yin-yang" وتقليل نسبة ضغط المجال المغناطيسي إلى ضغط البلازما (المعلمة β).


مغناطيس فائق التوصيل "للبيسبول" يصنف البيسبول الثاني ، منتصف السبعينات

بالإضافة إلى ذلك ، يحدث تسرب البلازما بشكل مختلف للجسيمات ذات الطاقات المختلفة ، مما يؤدي إلى عدم وجود توازن في البلازما (أي طيف سرعة الجسيمات غير ماكسويل) ، مما يسبب عددًا من عدم الاستقرار غير السار. تساهم هذه الاضطرابات بدورها في "التمايل" للبلازما في تسريع هروبها عبر خلايا المرآة النهائية ، ففي أواخر الستينيات ، وصلت إصدارات بسيطة من المصائد المفتوحة إلى الحد الأقصى لدرجة حرارة وكثافة البلازما المحتجزة ، وكانت هذه الأرقام أقل بكثير من تلك المطلوبة للتفاعل النووي الحراري. كانت المشكلة بشكل رئيسي في التبريد الطولي السريع للإلكترونات ، والتي فقدت بعد ذلك الطاقة والأيونات. كانت هناك حاجة لأفكار جديدة.


نجاح فخ أمبيولار TMX-U

يقترح الفيزيائيون حلولًا جديدة ، تتعلق أساسًا بتحسين حصر البلازما الطولي: الحصر المحيطي ، والفخاخ المموجة ، والفخاخ الديناميكية للغاز.

• يعتمد الحبس الأمبيولبي على حقيقة أن الإلكترونات "تتسرب" من فخ مفتوح 28 مرة أسرع من أيونات الديوتريوم والتريتيوم ، وينشأ فرق محتمل في نهايات المصيدة - إيجابي من الأيونات في الداخل وخارجه سلبي. إذا تم تضخيم مجال يحتوي على بلازما كثيفة في نهايات الإعداد ، فإن الإمكانية القطبية في البلازما الكثيفة ستبقي المحتويات الداخلية الأقل كثافة من التشتت.
• تخلق المصائد المموجة مجالًا مغناطيسيًا "مضلعًا" في النهاية ، حيث تطير الأيونات الثقيلة بعيدًا بسبب "الاحتكاك" ضد حقول المصيدة المغلقة في "أحواض".
• , , “-”.

ومن المثير للاهتمام أن كل هذه المفاهيم التي تم بناء المرافق التجريبية من خلالها تتطلب المزيد من التعقيد في هندسة المصائد المفتوحة. بادئ ذي بدء ، هنا لأول مرة في مسرعات حزمة النيوترونات المعقدة TCB تظهر أن تسخين البلازما (في التركيبات الأولى ، تم تحقيق التسخين بواسطة تفريغ كهربائي تقليدي) وتعديل كثافته في التركيب. تمت إضافة تسخين تردد الراديو ، الذي ظهر لأول مرة في مطلع الستينيات / السبعينيات في توكاماكس. وحدات جاما -10 الكبيرة والمكلفة تحت الإنشاء في اليابان ، TMX في الولايات المتحدة الأمريكية ، AMBAL-M ، GOL و GDL في نوفوسيبيرسك INP.


يوضح النظام المغناطيسي Gamma-10 ومخطط تسخين البلازما جيدًا مدى انتقالهما من حلول OL البسيطة إلى الثمانينيات.

في موازاة ذلك ، في عام 1975 ، على مصيدة 2X-IIB ، كان الباحثون الأمريكيون أول من وصل في العالم إلى درجة حرارة أيونية رمزية تبلغ 10 كيلو فولت ، وهي مثالية للحرق النووي الحراري للديوتريوم والتريتيوم. وتجدر الإشارة إلى أنهم في الستينيات والسبعينيات ذهبوا تحت علامة السعي للحصول على درجة الحرارة المطلوبة بأي شكل من الأشكال ، لأن تحدد درجة الحرارة ما إذا كان المفاعل سيعمل على الإطلاق ، بينما يمكن تعويض المعلمتين الأخريين - كثافة ومعدل تسرب الطاقة من البلازما (أو في كثير من الأحيان يسمى "وقت الاحتفاظ") عن طريق زيادة حجم المفاعل. ومع ذلك ، على الرغم من الإنجاز الرمزي ، كان 2X-IIB بعيدًا جدًا عما يمكن تسميته بالمفاعل - ستكون الطاقة المخصصة النظرية 0.1 ٪ من البلازما التي تنفق على الاحتفاظ والتدفئة. ظلت المشكلة الخطيرة هي انخفاض درجة حرارة الإلكترون - من 90 eV على خلفية من 10 kev أيونات ، المرتبطةبطريقة أو بأخرى ، تبرد الإلكترونات على جدران غرفة الفراغ التي يقع فيها المصيدة.


عناصر فخ الأمبولار الذي تم إيقافه الآن AMBAL-M

في أوائل الثمانينيات ، كانت هناك ذروة في تطوير هذا الفرع من TCB. تبلغ ذروة التطوير مشروع MFTF الأمريكي بقيمة 372 مليون دولار (أو 820 مليون دولار بأسعار اليوم ، مما يجعل المشروع أقرب في القيمة إلى آلة مثل Wendelstein 7-X أو tokamak K-STAR).


وحدات مغناطيسية فائقة التوصيل من MFTF ...


وغلاف مغناطيسي فائق التوصيل بطول 400 طن

لقد كان فخًا ذو قطبين مع مغناطيس فائق التوصيل ، بما في ذلك محطة تحفة "yin-yang" ، أنظمة عديدة وتشخيصات بلازما التسخين ، رقم قياسي من جميع النواحي. كان من المخطط تحقيق Q = 0.5 ، أي إن ناتج الطاقة للتفاعل النووي الحراري هو فقط نصف تكلفة الحفاظ على تشغيل المفاعل. ما النتائج التي حققها هذا البرنامج؟ تم إغلاقه بقرار سياسي في دولة قريبة من الاستعداد للانطلاق.


محطة "Yin-Yang" MFTF أثناء التثبيت في غرفة فراغ 10 متر من التثبيت. كان طوله يصل إلى 60 مترا.

على الرغم من حقيقة أن هذا القرار ، الصادم من جميع الأطراف ، صعب للغاية في تفسيره ، سأحاول.
بحلول عام 1986 ، عندما كان MFTF جاهزًا للإطلاق في أفق مفاهيم TCB ، أضاءت نجمة مفضلة أخرى. بديل بسيط ورخيص للفخاخ المفتوحة "البرونزية" ، التي أصبحت في هذا الوقت معقدة للغاية ومكلفة للغاية على خلفية المفهوم الأولي لأوائل الستينيات. كل هذه المغناطيسات فائقة التوصيل لتكوينات الألغاز ، والحاقنات المحايدة السريعة ، وأنظمة تسخين البلازما بترددات الراديو القوية ، ومخططات قمع عدم استقرار اللغز - على ما يبدو لن تصبح هذه التركيبات المعقدة أبداً النموذج الأولي لمحطة الطاقة النووية الحرارية.


JET في التكوين المحدود الأولي ولفائف النحاس.

حتى توكاماكي. في أوائل الثمانينيات ، وصلت هذه الآلات إلى معلمات البلازما الكافية لحرق تفاعل نووي حراري. في عام 1984 ، تم إطلاق توكاماك JET الأوروبي ، والذي يجب أن يظهر Q = 1 ، ويستخدم مغناطيس نحاسي بسيط ، تكلفته 180 مليون دولار فقط. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية وفرنسا ، يتم تصميم توكاماك فائقة التوصيل ، والتي لا تنفق الطاقة تقريبًا على تشغيل النظام المغناطيسي. في الوقت نفسه ، لا يستطيع الفيزيائيون الذين يعملون على مصائد مفتوحة لسنوات إحراز تقدم في زيادة استقرار البلازما ، ودرجة حرارة الإلكترون ، والوعود بإنجازات MFTF أصبحت غامضة بشكل متزايد. بالمناسبة ، ستظهر العقود القادمة أن الرهان على توكاماك كان مبررًا نسبيًا - كانت هذه الفخاخ هي التي وصلت إلى مستوى القدرات و Q ، مثيرة للاهتمام لمهندسي الطاقة.


نجاح الفخاخ المفتوحة والتوكاماك في بداية الثمانينيات على خريطة "المعلمة الثلاثية". ستصل JET إلى نقطة أعلى قليلاً من TFTR 1983 في 1997.

قرار MFTF يقوض أخيرا موقف هذه المنطقة. على الرغم من استمرار التجارب في Novosibirsk INP وفي منشأة Gamma-10 اليابانية ، يتم إغلاق البرامج الناجحة تمامًا من سلفي TMX و 2 X-IIB في الولايات المتحدة الأمريكية.
نهاية القصة؟ لا. حرفيا أمام أعيننا ، في عام 2015 ، تحدث ثورة هادئة مذهلة. باحثون من معهد الفيزياء النووية. Budkers في نوفوسيبيرسك ، الذين قاموا على التوالي بتحسين فخ GDL (بالمناسبة ، تجدر الإشارة إلى أن مصائد الأمبولار بدلاً من الفخاخ الغازية الديناميكية كانت متفوقة في الغرب) يحققون فجأة معلمات البلازما التي كان من المتوقع أن تكون "مستحيلة" من قبل المشككين في الثمانينيات.


مرة أخرى GDL. الأسطوانات الخضراء التي تخرج في اتجاهات مختلفة هي محاقن محايدة ، والتي سيتم مناقشتها أدناه.

المشاكل الرئيسية الثلاث التي دفن المصائد المفتوحة هي استقرار MHD في تكوين محوري (يتطلب مغناطيسات معقدة) ، ووظيفة توزيع أيون بلا توازن (عدم الاستقرار الجزئي) ، وانخفاض درجة حرارة الإلكترون. في عام 2015 ، وصلت GDL ، مع قيمة بيتا 0.6 ، إلى درجة حرارة الإلكترون 1 كيلو فولت. كيف حدث هذا؟
أدى تجنب التناظر المحوري (الأسطواني) في الستينيات في محاولات التغلب على الفلوت وعدم استقرار MHD في البلازما ، بالإضافة إلى تعقيد الأنظمة المغناطيسية ، إلى زيادة في فقدان الحرارة الشعاعية من البلازما. استخدمت مجموعة من العلماء الذين يعملون مع GDL فكرة الثمانينيات لتطبيق مجال كهربائي شعاعي ، وإنشاء بلازما دوامية. أدى هذا النهج إلى فوز باهر - في بيتا 0.6 (أتذكر أن هذه النسبة من ضغط البلازما إلى ضغط المجال المغناطيسي هي معلمة مهمة جدًا في تصميم أي مفاعل نووي حراري - لأن سرعة وكثافة إطلاق الطاقة يتحددان بواسطة ضغط البلازما ، ويتم تحديد تكلفة المفاعل قوة مغناطيسه) ، مقارنة مع البلازما توكاماك 0.05-0.1 مستقرة.


أدوات قياس جديدة - "التشخيص" ، تسمح بفهم أفضل لفيزياء البلازما في GDL

تم حل المشكلة الثانية مع عدم الاستقرار الجزئي ، الناجم عن نقص الأيونات ذات درجات الحرارة المنخفضة (التي يتم سحبها من نهايات المصيدة من خلال إمكان القطب) ، عن طريق إمالة حاقنات الأشعة المحايدة بزاوية. يخلق هذا الترتيب قمم كثافة أيونية على طول فخ البلازما ، مما يؤخر خروج الأيونات "الدافئة". يؤدي الحل البسيط نسبيًا إلى قمع عدم الاستقرار الدقيق تمامًا وإلى تحسن كبير في معلمات حجز البلازما.


تدفق النيوترون الناتج عن الاحتراق الحراري النووي للدوتريوم في مصيدة GDL. النقاط السوداء - القياسات والخطوط - قيم محسوبة مختلفة لمستويات مختلفة من عدم الاستقرار الجزئي. الخط الأحمر - قمع عدم الاستقرار الجزئي.

وأخيرًا ، فإن "حفار القبور" الرئيسي هو درجة حرارة منخفضة للإلكترونات. على الرغم من تحقيق المعلمات الحرارية النووية للأيونات في المصائد ، إلا أن ارتفاع درجة حرارة الإلكترون هو مفتاح الحفاظ على الأيونات الساخنة من التبريد ، وبالتالي ارتفاع قيمة Q. والسبب في انخفاض درجة الحرارة هو الموصلية الحرارية العالية "على طول" وإمكانيات القطب ، والتي تمتص الإلكترونات "الباردة" من المتوسع في الأطراف الفخاخ داخل النظام المغناطيسي. حتى عام 2014 ، لم تتجاوز درجة حرارة الإلكترون في الفخاخ المفتوحة 300 فولت ، وتم الحصول على القيمة المهمة نفسياً البالغة 1 كيلو فولت في GDL. تم الحصول عليها بسبب العمل الدقيق مع فيزياء تفاعل الإلكترونات في موسعات طرفية مع امتصاص الغازات والبلازما المحايدة.
هذا يقلب الوضع رأسا على عقب. الآن ، تهدد الفخاخ البسيطة مرة أخرى أولوية توكاماك ، التي وصلت إلى أحجام وتعقيد وحشية ( عدة أمثلة على تعقيد أنظمة ITER). علاوة على ذلك ، لا يقتصر هذا الرأي على العلماء من المعهد الوطني العراقي فقط ، ولكن أيضًا من العلماء الأمريكيين الجادين ، المنشور في مجلات موثوقة. إغلاق المزيد من GDL. شكرا على الصور dedmaxopka حتى الآن ، ومع ذلك ، أدى نجاح GDL إلى مقترحات جديدة للتركيبات فقط في INP نفسها. بعد فوزه بمنحة من وزارة التعليم والعلوم عند 650 مليون روبل ، سيقوم المعهد ببناء العديد من المدرجات الهندسية في إطار مدير الواعد " GDML-U




"، يجمع بين أفكار وإنجازات GDF وطريقة لتحسين الاحتفاظ الطولي لـ GOL. على الرغم من أنه تحت تأثير النتائج الجديدة ، تتغير صورة GDFM ، لكنها تظل الفكرة الرئيسية في مجال الفخاخ المفتوحة.



أين التطورات الحالية والمستقبلية مقارنة بالمنافسين؟ وصلت توكاماكي ، كما تعلمون ، إلى قيم Q = 1 ، لقد حلوا العديد من المشاكل الهندسية ، وسوف أنتقل إلى بناء المنشآت النووية بدلاً من التركيبات الكهربائية وسأنتقل بثقة نحو النموذج الأولي لمفاعل طاقة مع Q = 10 والطاقة النووية الحرارية تصل إلى 700 ميجاوات (ITER). توري، متخلفة بضع خطوات الانتقال من دراسة الفيزياء الأساسية وحل المشاكل الهندسية مع Q = 0.1، ولكنها ليست في خطر للذهاب في مجال المنشآت النووية حقا حرارية حرق التريتيوم. GDML-U يمكن أن تكون مشابهة ل stellarator W-7Xبواسطة معلمات البلازما (ومع ذلك ، يتم تركيب نبضي مع مدة تصريف عدة ثوان مقابل تشغيل نصف ساعة W-7X في المستقبل) ، ومع ذلك ، نظرًا للهندسة البسيطة ، يمكن أن تكون تكلفته أقل عدة مرات من النجم الألماني.


تقييم INP.

هناك خيارات لاستخدام GDMF كمرفق لدراسة تفاعل البلازما والمواد (ومع ذلك ، هناك الكثير من هذه المرافق في العالم) وكمصدر نووي حراري للنيوترونات لأغراض مختلفة.


استقراء أحجام GDMF حسب Q المطلوب والتطبيقات الممكنة.

إذا أصبحت الفخاخ المفتوحة غدًا المفضلة مرة أخرى في السباق إلى TCB ، يمكن للمرء أن يتوقع أنه نظرًا لانخفاض الاستثمارات الرأسمالية في كل مرحلة ، بحلول عام 2050 ، فسوف يلحقون بالمتاجر ويتفوقون عليها ، ليصبحوا أول محطات الطاقة الحرارية النووية. ما لم تقدم البلازما مفاجآت جديدة غير سارة ...

Source: https://habr.com/ru/post/ar391541/