الطاقة النظيفة مقابل بنس واحد

متى ستظهر محطات الاندماج؟ غالبًا ما يقول العلماء شيئًا مثل "خلال 20 عامًا سنحل جميع القضايا الأساسية". يتحدث مهندسو الصناعة النووية عن النصف الثاني من القرن الحادي والعشرين. يتحدث السياسيون عن بحر من الطاقة النظيفة مقابل سنت واحد ، ولا يزعجوا التمور. يقول الاقتصاديون أبدا.


كما وعد يافلينسكي مبدعو أول T-1 tokamak Artsimovich في العالم بمحطات توليد الطاقة في 20 عامًا.

يميل الناس إلى عمل تنبؤات من خلال الاستقراء من الخبرة. في حالة محاولات إنشاء محطة تجارية للطاقة النووية الحرارية ، كانت التجربة سلبية - 60 عامًا من الجهود أدت إلى نصف النجاح - هناك شيء ، ولكن من الواضح أنه ليس شيئًا يمكن استخدامه كل يوم لتوليد الكهرباء. يقول الحدس أنه إذا لم نتغلب على هذا الجدار خلال 60 عامًا ، فلا يجب توقع شيء جيد في المستقبل.

وعبثا. لأن كمية التكنولوجيا والمعرفة في تزايد مستمر ، بما في ذلك حول البلازما والاحتفاظ بها. في مرحلة ما ، ستكون معرفتنا كافية بحيث تصبح الطاقة النووية الحرارية ممكنة في العملية العادية والروتينية للاستثمار في تطوير التكنولوجيا ، بدون إنجازات خاصة.


هنا ، على سبيل المثال ، هو مثال روتيني للعمل على تثبيت Tri Alpha Energy C-2U

الحواجز النفسية في طريقها إلى حد كبير "ربما" اليوم. في كثير من الأحيان ، واجه مطورو المفاعلات النووية الحرارية عدم القدرة على التنبؤ ، والتقديرات المبالغ فيها ، وحقائق جديدة غير سارة من مجال فيزياء البلازما. في كثير من الأحيان ، أدت طريقة التعامل مع هذه الحقائق إلى الوصول إلى طريق مسدود اقتصادي ، عندما تم ثني عشرين معجزة هندسية على آلة بسيطة في البداية ، وأصبح التثبيت الناتج نفسه حلًا قياسيًا لم يكن فيه مجال لـ "سهولة الاستخدام" ، "الموثوقية" ، " الرخص. "


يشير الملصق الجديد الفاخر مع قطع ITER إلى عمق مشاكل الحمار مع تعقيد المنشآت النووية الحرارية.

في ظل هذه الخلفية ، من الصعب جدًا تحمل المسؤولية عن حل المستقبل ، والمشكلات التي لا تزال غير معروفة ، وافتراض أنه يمكن بناء مفاعل نووي حراري حتى لو أدى الفيزياء والهندسة أولاً إلى ضوء أخضر. ماذا لو انفتح نوع جديد من عدم الاستقرار مع نمو المفاعل؟ ماذا لو وجد اقتصاد الهندسة البارعة أمس أن من الممكن جعل المفاعل أقل من القاعدة؟ ماذا لو كانت مواد مفاعل نووي حراري مع زيادة في وقت التشغيل من 10 إلى 31000000 ثانية لن تقف؟


تعد الخطط الرسمية لأوروبا ، حتى في شكل متفائل للغاية ، بنموذج أولي لمحطة طاقة نووية حرارية بحلول عام 2050. هل هناك أي خيارات سيقوم بها شخص ما في وقت سابق؟

اليوم ، الأقرب نفسيا لبناء محطات الطاقة النووية الحرارية هوشركة كاليفورنيا Tri Alpha Energy (TAE). هناك فريق من 150 شخصًا ، من بينهم العديد من علماء الفيزياء البلازميين البارزين في ظروف يجب عليهم فيها أن يظهروا كل 2-3 سنوات إنجازًا جديدًا في المخطط العام للانتقال إلى محطة طاقة نووية حرارية تجارية. في الواقع ، وضع خطة للاكتشافات في مجال فيزياء البلازما. الجانب الآخر من هذا الضغط هو الوتيرة المجنونة لترجمة أفكار العلماء - يمكن إعداد إعدادها التجريبي الكبير نوعًا ما Tri Tri Alpha بسهولة في غضون شهر بعد ظهور أفكار جديدة - مقارنة مع سنوات الجامعة والمرافق الأكاديمية.


فيديو مثير للاهتمام من TAE هو استعادة صورة ما يحدث مع البلازما في تركيب C-2U. انتبه إلى المؤقت من أعلى اليسار - يصبح من الواضح أن الإمساك بالبلازما بدون اضمحلال 8000 ميكروثانية (الرقم القياسي الحالي) هو وقت طويل جدًا.

الفكرة الكامنة في مفاعل TAE هي استخدام دوامات البلازما (تسمى FRC - التكوين المعكوس الميداني) ، والتي لها خاصية ضبط النفس وبعض المزايا الأخرى ، والحفاظ على استقرارها بمساعدة حاقنات الشعاع المحايدة ، جديدة تمامًا - من منتصف 90. على أي حال هذا أحدث من أفكار tokamak أو stellarator أو فخ مفتوح كلاسيكي. يحتوي FRC على مجموعة من الخصائص غير العادية إلى حد ما ، مما يجعله مناسبًا لاستخدام التفاعل النووي الحراري H ¹ + B ¹¹ = 3 * هو في مثل هذا المفاعل⁴ (H ¹ هنا هو الهيدروجين العادي ، B ¹¹ هو نظير البورون الأكثر شيوعًا ، وهو ⁴ هي جسيمات ألفا المنبعثة ، ومن هنا اسم الشركة Three Alpha). ومن المفارقات ، أن هذه واحدة من أصعبها لتحقيق تفاعلات نووية حرارية - فهي تتطلب درجات حرارة أعلى بـ 15 مرة من درجة حرارة "الديوتريوم-تريتيوم" الكلاسيكية ، وبالتالي 15 مرة ضغط مجال مغناطيسي أعلى للحفاظ على متطلبات النقاء وأكثر صرامة البلازما.


معدل التفاعلات الحرارية النووية المختلفة بنفس الكثافة حسب درجة الحرارة. لاحظ أن المقياس على اليسار لوغاريتمي. عند درجة حرارة 320 كيلو فولت ، لا يختلف pB11 تقريبًا عن DHe3 وهو أبطأ عدة مرات فقط من DT الكلاسيكي.

ومع ذلك ، يتيح لك FRC استخدام كامل ضغط المجال المغناطيسي تقريبًا ، على عكس توكاماك ، حيث يمكنك استخدام 10 ٪ فقط. يحتوي PB11 على إيجابياته - كلا المكونين منتشران وآمنان (على عكس التريتيوم المشع ونظير هيليوم He3 غير موجود على الأرض ، وإذا كان يمكن الحصول على التريتيوم من الليثيوم ، فيمكن الحصول على He3 فقط في مكان ما في الفضاء) ، و بالإضافة إلى ذلك ، لا ينتج التفاعل إشعاعًا نيوترونيًا قويًا. بالنسبة لمفاعل DT ، فإن الإشعاع النيوتروني الذي يسلب 86 ٪ من طاقة التفاعل النووي الحراري سيكون آفة حقيقية ، تدمر بسرعة وتنشط المواد الإنشائية. بالنسبة لـ pB11 ، ستكون طاقة النيوترون ~ 0.1٪ من طاقة المفاعل من خلال التفاعلات الجانبية.


FRC — . , TAE , , TAE .

عادة ، يولي البلازميون اهتمامًا أكبر بالتعقيد الشديد في الحصول على معلمات البلازما اللازمة لـ pB11 من الفوائد الاقتصادية الهامة لهذا التفاعل. التريتيوم والنيوترونات في المفاعل عبء هائل يضاعف من تكلفة وتعقيد مفهوم المفاعل ؛ ومع ذلك ، لم يعد الفيزيائيون يعانون من هذه الصعوبات. من ناحية أخرى ، فإن الخيار المحتمل لتفاعل D + He3 هو أيضًا تقريبًا aneutron (طاقة النيوترون - 1-4 ٪ من طاقة المفاعل) يعاني من الحاجة إلى بناء بنية تحتية لتعدين الهليوم بالتوازي مع محطات الطاقة 3 ، وهي اليوم مهمة لا يمكن تصورها (على سبيل المثال ، يمكن استخراجه في جو أورانوس ، كيف تحب هذا الخيار؟ على الرغم من أن شخصًا ما سيكون غير سعيد لأنه في النهاية لا نأخذ الوقود من أورانوس).


بالنسبة للمستثمرين ، تقوم TAE بالفعل برسم نظرة أولية على مفاعل اندماج 380 ميجاوات (كهربائي). إن خطط بناء خمسين محطة طاقة كهذه في ثلاثينيات القرن العشرين

، الهيدروجين وبور -11 أكثر بأسعار معقولة من الوقود النووي - اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم 239.

Tri Alpha ، بعد أن جمعت خبراء على مستوى أفضل المراكز العالمية لدراسة البلازما النووية الحرارية ، تتحرك بسرعة كبيرة. في عام 2015 فقط ظهر أن دوامات FRC مدعومة دون أن تتحلل باستخدام حزم عرضية قوية من الجسيمات المحايدة - أحد البيانات الرئيسية لفيزيائي مؤسس الشركة نورمان روستوكير. والآن يبنون تركيبًا جديدًا ، حيث يجب تحقيق زيادة 30 مرة في المعلمة الثلاثية (ناتج الكثافة ودرجة الحرارة ووقت الاستبقاء - الخصائص الرئيسية التي تحدد إنتاج الطاقة للتفاعل النووي الحراري) للبلازما. إذا انتظرت TAE مرة أخرى النجاح ، فإن هذا التثبيت سيسمح بإيجاد ما يسمى التحجيم - الاعتماد التجريبي للمعلمة الثلاثية على خصائص التثبيت (الحجم ، المجال المغناطيسي ، قوة الحاقنات المحايدة ، إلخ). والتدرج ، بدوره ،سيسمح لنا بالفعل بتحديد بدقة عالية ما إذا كان من الممكن حقًا إنشاء مفاعل بناءً على فكرة Tri Alpha ، أم أنه سيكون بعيد المنال.


, TAE — C2W, 8 , FRC 1-3 ~30 , , .


— , , . Q pB11 — .

من المثير للاهتمام أنه بهذه الطريقة ، لا تطرح الطبيعة أحيانًا صعوبات فحسب ، بل تثير أيضًا الهدايا. على سبيل المثال ، في جميع الكتب المدرسية ، كتب أن التفاعل الحراري الهيدروجيني-البورون الحراري (p + B11 -> He4 + He4 + He4) في بلازما شفافة بصريًا سيفقد دائمًا طاقة أكثر مما ينبعث منه ، أي للحفاظ عليه ، هناك حاجة للتدفئة الخارجية - مسار في الحالة المثالية وصغيرة إلى حد ما ~ 15 ٪ من طاقة المفاعل النووي الحراري. يتم حساب هذه الخاصية غير السارة لـ pB11 بسهولة تامة من المقطع العرضي (الاحتمالية) للتفاعل في تصادم البروتون والأيونات البورونية وحساب الخسائر الكهرومغناطيسية أثناء تشتت الإلكترونات الساخنة (و pB11 يتطلب درجة حرارة أعلى 20 مرة من تفاعل ITER D + T-> He + n). لذا ، أظهرت قياسات جديدة وأكثر دقة للمقطع العرضي للتفاعل pB11 أن المقطع العرضي أعلى مما كان يعتقد سابقًا.وفقًا لبيانات جديدة ، يؤدي الاندماج في درجات حرارة معينة إلى توليد طاقة في هذا التفاعل تفوق الطاقة المفقودة! من المثير للاهتمام أن نرى كيف تتوافق الكتب الفيزيائية.


pB11 ().


, — ( ) ( ) , — ( ), .

ومع ذلك ، فإن المسافة التي يحتاج Tri Alpha إلى تغطيتها لا تزال كبيرة جدًا - حتى إذا كان القياس دقيقًا ، فمن الضروري زيادة جودة الاحتفاظ مئات المرات - ضغط المجال المغناطيسي والطاقة ووقت التشغيل لـ NBI وجميع الأنظمة الأخرى. قد يواجه فريق TAE مشكلة نموذجية من مصانع الانصهار - فهي تصبح كبيرة جدًا ومعقدة ، وتتحرك ببطء شديد في طريقها إلى المفاعلات التجارية. بالانتقال إلى الأرقام ، يجب أن أقول أنه الآن سجل درجة حرارة FRC أقل بقليل من ألف فولت ، ومن الضروري - 320،000 فولت. يستغرق وقت الاحتفاظ بالطاقة بضع ثوانٍ ، ويستغرق عشرات الثواني. كما أن الكثافة لا تقل عن عشر مرات على الأقل عن المعايير المطلوبة في التركيب الصناعي. يمكن التغلب على جزء من هذا ببساطة عن طريق زيادة حجم وقوة المفاعل ،ولكن يجب زيادة الجزء نوعيًا - تحسين نقاء البلازما ، وكفاءة الأنظمة الداعمة ، وإيجاد أنماط تشغيل جديدة وأكثر نجاحًا للبلازما.


عمل آخر للفنان حول موضوع المظهر المحتمل لسيارات TAE المستقبلية.


الصورة بعلامة النجمة - إصدارات مختلفة من أول آلة حرارية نووية Tri Alpha - مع حبس أفضل وأسوأ. مدة الاحتفاظ بـ FRC هي من 7 إلى 30 ثانية (ليس بالمللي ثانية!) ، ستحتاج إلى أنظمة تزويد الوقود من FRC ، وضخ "رماد" الهيليوم الذي "يسد صندوق الإطفاء" ، وحقن الشعاع المحايد الجديد Megavolt الذي يتم تطويره الآن في Novosibirsk INP وقليلًا من الحظ ، بحيث البلازما لم ترم الحصن التالي.

تخطط تري ألفا للذهاب بهذه الطريقة (إلى النموذج الأولي لمحطة الطاقة) في 5 منشآت وحوالي 15 عامًا ، وحصلت على حوالي نصف مليار دولار من مستثمرين مختلفين في هذا العمل .


صورة من داخل تركيب C-2U الذي تم تفكيكه بالفعل. بالمناسبة ، كان العامل يرتدي ملابس ليس للجميع لفهم برودته ، ولكن لترك المواد العضوية على الجدران الداخلية للغرفة - البلازما حساسة للغاية لجودة الفراغ والأوساخ ، وشعر واحد في غرفة التفريغ قد يمنع التجربة.

لكنني لم أكن عبثًا بالحديث عن علم النفس. في حين أن فريق TAE يأكل بثقة في أعين المستثمرين ، إلا أن المتخصصين الآخرين الذين أحرقوا أنفسهم مرارًا وتكرارًا على التوقعات يتحدثون بتواضع أكثر عن التوقعات الحالية للطاقة النووية الحرارية. ومع ذلك ، فإن الأفكار النظرية الأخيرة في معهد الفيزياء النووية. يمكن لـ Budkers في نوفوسيبيرسك ، إذا تم تأكيده في التجربة ، أن يبسط إلى حد كبير عمل إنشاء مفاعل نووي حراري ، مما يقلل حجمه وتعقيده عدة مرات.

قبل أن أتحدث عنهم ، أود أن أتطرق مرة أخرى إلى نقطة مثيرة للاهتمام. تخيل أنك لعقود عديدة كنت تمنح المال للفيزيائيين النوويين الحراريين في إطار الخطط الراسخة "لمحطة للطاقة في 20 عامًا" ، وفي كل مرة يأتون ويقولون "تبين أن البلازما أكثر تعقيدًا مما كنا نعتقد ، نحتاج إلى 20 عامًا أخرى". ثم يأتون ويقولون "تبين أن البلازما أكثر تعقيدًا مما كنا نعتقد ، لذلك كان لدينا حل بسيط ورخيص ، لكننا نحتاج إلى 20 عامًا". ماذا ستجيب عليهم؟ :)

لذا ، نحن نتحدث عن فكرتين نظريتين ممكنتين حتى الآن - "فقاعة مغناطيسية" و "ضخ البلازما بواسطة مجال مغناطيسي حلزوني". الأول هو تضخيم "فقاعة" من البلازما في مصيدة مفتوحة ، وبالتالي زيادة كمية البلازما وضغطها - الاتجاه المثالي للحركة إذا أردنا تقليل فقدان الطاقة من البلازما النووية الحرارية. قد تبدو فكرة تافهة تتضمن العديد من الميزات الصعبة ، التي ظهر فهم لها في العقود الأخيرة. يمكن لمثل هذه الفقاعة أن تقلل من حجم مفاعل نووي حراري في فخ مفتوح بعامل ~ 10. من المتوقع إجراء تحقق تجريبي لهذه الفكرة في العامين المقبلين.


إن "الفقاعة" هي في الحقيقة فقاعة. يتم رسم كفاف البلازما الأولي في مصيدة من نوع GDL بخط أزرق.


قسم تخطيطي من مصيدة GDL المفتوحة ، التي نشأت على أساسها فكرة "الفقاعة" ، والتي ينطبق عليها انخفاض كبير في حجم مفاعل الطاقة إذا نجحت هذه الفكرة.

بما أننا نتحدث عن الفخاخ المفتوحة- أذكركم أن هذا الإصدار الأبسط من التثبيت النووي الحراري "لم يذهب" في ذلك الوقت بسبب مشكلتين رئيسيتين - عدم الاستقرار ، التي تعلمت التعامل معها فقط في القرن الحادي والعشرين ، عندما فُقد الاهتمام في الفخاخ في الغالب وكان التوصيل الحراري الطولي الكبير (أي هـ - تسرب الحرارة من البلازما من خلال الثقوب في نهاية التركيب الأسطواني - فهو فخ مفتوح). المشكلة الثانية لم تحل حتى النهاية اليوم ، لذلك بدلاً من الديوتريوم أو البورون ، عليك حرق الفحم. لذا ، فإن "ضخ البلازما بواسطة مجال مغناطيسي حلزوني" هو نموذج أولي لنظام مغناطيسي يتم تثبيته في نهايات المصيدة المفتوحة و "يضخ" البلازما إلى الخلف ، بسبب تفاعل المجال المغناطيسي الحلزوني مع البلازما التي تطير حول المحور ، تطير للخارج.يمكن أن تكون الكفاءة في قمع الموصلية الحرارية الطولية لمثل هذا النظام عالية بشكل لا يصدق ، بعد حل المشكلة الأساسية المتبقية لـ OL.


رسم تخطيطي لتركيب الراتنج - على اليسار مسدس بلازما ، في المنتصف نظام مغناطيسي حلزوني ، على اليسار هو موسع للدبابات مع إلكترون مجزأ ، مما يخلق تدرجًا كهربائيًا في البلازما ، مما يلفه. يمكن تشغيل نظام البرغي "على طول" و "ضد" البلازما.

الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن تثبيت RESOL لفحص "التثبيت اللولبي" يذهب بالفعل إلى INP ، وربما في ربيع عام 2017 سيكون من الممكن رؤية النتائج الأولى. مرة أخرى - لمدة 50 عامًا ، لم تسمح لنا هذه المشكلة ببناء وبناء مفاعل نووي حراري قائم على مصيدة مفتوحة (بإنصاف - إلى جانب مشاكل فيزيائية أخرى وكتلة الهندسة التي لا تزال تنتظر المستقبل) ، ويمكن إغلاقها في تجربة فيزيائية روتينية إلى حد ما في العام المقبل.


مقال 1958 حول "Stellarator يعد بتحقيق قفزة كبيرة في توليد الطاقة القابلة للاستخدام من الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة."

للتلخيص ، سوف أذكر مرة أخرى علم النفس. خلال الثلاثين عامًا الماضية ، اعتاد الناس على فكرة أن طاقة الاندماج على الأقل ليست مبررة اقتصاديًا ، وربما محظورة بشكل مباشر لأسباب هندسية أو مادية. لقد اعتدنا على تلك الحقبة عندما كانت نجاحات الفيزيائيين على هذا المسار فاترة ، ولم تكن التصميمات المقترحة للمفاعلات النووية الحرارية قابلة للتطبيق. الآن ربما ندخل الحقبة التالية عندما يكون علينا أن نفطم أنفسنا عن حقيقة أن مصانع الطاقة الاندماجية مستحيلة. عندما رفضت أفكارًا من 40 ، أو حتى قبل 60 عامًا ، مع فهم جديد للبلازما والقدرات التقنية (على سبيل المثال ، الموصلات الفائقة أو أنظمة التحكم الرقمية) فجأة ضوء أخضر.

Source: https://habr.com/ru/post/ar397025/