يكتب موقع شهير عن الأخبار الذرية وورلد نووي نيوز عن إطلاق (البلازما الأولى) لتوكاماك ST40 ، المملوكة لشركة توكاماك إنرجي الإنجليزية الخاصة. الأخبار مثيرة للاهتمام ، خاصة إذا كنت تعرف السياق الذي سأحاول تقديمه.
مؤسس Tokamak Energy Alan Sykes بالقرب من ST-40 بمقياس 1 إلى 1.تأسست شركة Tokamak Energy (TE) في عام 2009 (بجوار أكبر JET tokamak في العالم اليوم) ، ومنذ عام 2012 تلقت تمويلًا (جمعت الشركة الناشئة اليوم 35 مليون دولار) لبناء سلسلة من tokamaks تؤدي إلى مفاعل طاقة. على خلفية ITER بقيمة 20 مليار دولار ، لا تؤدي إلى مفاعل للطاقة ، تبدو غريبة؟ دعنا نحصل على حق.
المشكلة الرئيسية للاندماج النووي الحراري ليست في الحصول على تفاعل نووي حراري ، ولكن يجب أن يكون حجم المفاعل الذي نجريه فيه معقولاً. يعمل أي من مفاهيم الاندماج تقريبًا إذا قمت بزيادة حجم المفاعل إلى كيلومترات وقوة تيراوات ، لكن هذه التصميمات لا تنطبق في الحياة الواقعية. جوهر عمل البلازميين في البحث عن مثل هذه التكوينات والأحجام من البلازما النووية الحرارية التي سيكون حجمها عند الحد الأدنى مع مضاعفات معقولة لتصميم المفاعل (على سبيل المثال ، أنظمة التدفئة).
فيديو من Tokamak Energy حول ST40 "البلازما الأولى". في الإطار - غرفة فراغ tokamak ، مع نظام تدفئة لإطلاق النار ، لا يوجد نظام مغناطيسي. توهج أخضر جميل - تفريغ متوهج لتنظيف جدران الغرفة ، لا يرتبط مباشرة بالبلازما النووية الحراريةتسمح لك توكاماك الكروية بالتنحي من حيث حجم سلك البلازما بنفس الطاقة الحرارية النووية ، مما يقلل بشكل رسمي من تكلفة المفاعل. تم فهم الأساس النظري لهذا منذ عام 1986 (عندما تم نشر المقالة الأولى) ، وتم تأكيده تجريبيًا في التسعينيات. لقد كتبت المزيد عن هذا في
منشور حول
توكاماك روسي جديد ، كروي أيضًا.
تجميع غرفة فراغ ST40. في ITER ، ستبدو فقط ، على سبيل المثال ، حاوية لتخزين المياه الصناعية ، لا أكثر :).في الواقع ، تحاول شركة Tokamak Energy تسويق هذا الاكتشاف للبلازميليين منذ عشرين عامًا. في الطريق إلى ذلك ، هناك العديد من الصعوبات الهندسية ، وبعضها يبدو لا يمكن التغلب عليه أو ، على أي حال ، لا يمكن التغلب عليه بسعر معقول. هذا هو السبب في أن الأخبار حول تحريك TE إلى الأمام مختلطة. من الواضح أن كل هذه النجاحات ستنتهي عند نقطة ما.
في الوقت الحالي ، تشمل أصول الشركة المصرية للاتصالات إطلاق ST-25 صغير جدًا (سطح المكتب بالفعل) ثم تحويله إلى الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، مع سجل لحمل البلازما في tokamak لمدة 29 ساعة (صحيح ، البلازما ، منخفض جدًا لإعدادات درجة الحرارة النووية والكثافة) ) توكاماك التالي ، الذي تم إطلاقه في 28 أبريل ، هو بالفعل أكثر خطورة. خطيرة لدرجة تجعلك تعتقد أن الصعوبات الهندسية التي لا يمكن التغلب عليها يمكن التغلب عليها.
سيتم غمر تصميم توكاماك في المستقبل في وعاء فراغ كبير للعزل الحراري - جهاز تبريد. يوجد بداخله نظام مغناطيسي نحاسي من لفات حلقية وبولوية ، بداخلها غرفة فراغ توكاماك. ميزة تقنية مهمة هي ملفات الضغط المدمجة ، والتي تحل مشكلة الحجم غير الكافي في العمود المركزي للملف اللولبي المركزي.لذا ، ST40. هذه آلة بحث بحتة ، والتي يجب أن تصبح واحدة من المراحل الوسيطة في الطريق إلى النموذج الأولي للطاقة ST185 (الذي سيتم بناؤه وفقًا لخطة عام 2025 ، والتي توجد شكوك جدية حولها في النهاية). توكاماك كروية نصف قطرها سلك بلازما 40 سم فقط ، غرفة فراغ 1.5 × 2.2 متر في الحجم - فتات على خلفية السيارات الخطيرة. بعد الانتهاء الكامل ، يجب أن تصل إلى معلمات البلازما مع Q = 1 ... 2 (وبالتالي ، درجة حرارة 10 كيلوفولت ، وأيضًا سجل لهذه الأحجام الصغيرة) ، حيث Q هي نسبة الطاقة النووية الحرارية إلى التدفئة. دعني أذكرك بأن اليوم Q = 1.2 سجل لتوكاماك JT-60U بحجم البلازما أكبر بعشرات المرات ، ويقع بالقرب من ST40 JET ، مع حجم بلازما أكبر 40 مرة ، فقط Q = 0.7 في وقت واحد تم الوصول إليه. في الواقع ، إذا تم تأكيد المعلمات المحسوبة لـ ST40 ، فسيكون هذا تقدمًا لا يصدق لـ tokamaks.
محاكاة المحصول النيوتروني ST40 لبلازما DT بطرق مختلفة. إعادة الحساب من معلمات توكاماك كروي آخر MAST يعطي حوالي 3 ميغاوات من الطاقة النووية الحرارية عند 2 ميغاوات من التدفئة ، أي س ~ 1.5 ، ومع ذلك ، قد تكون النتيجة أسوأ.ما الذي يميز بالضبط ST40 عن سابقاتها؟ هذا هو tokamak كروي مع حقل قوي بما فيه الكفاية من 3 Tesla (تجدر الإشارة إلى أنه سجل بين tokamaks الكروية) ، محسّن قدر الإمكان للحصول على Q عالية.الحقل العالي هو إنجاز في حد ذاته. تكمن مشكلة توكاماك الكروية في أن الفيزياء تتطلب عمودًا مركزيًا بقطر صغير قدر الإمكان (لتقريب شكل البلازما من الكرة في أقرب وقت ممكن) ، مما يعني الحد الأدنى من المساحة للأقواس الداخلية للملفات الحلزونية واللولبي المركزي. يحدد تيار الملفات الحلقية قوة المجال ، على الرغم من حقيقة أن الكثافة الحالية لا يمكن أن تكون أعلى من معلمات معينة ، وهي خاصة بالنحاس ، ونظام موصل فائق. الملف اللولبي المركزي ، بدوره ، ضروري للضخ الأساسي لطاقة البلازما ، كما أن حجمه محدود للغاية من الأسفل.
الموصلات النحاسية للملفات الحلقية والعمود المركزي. تم تجميع 24 دورة على شكل D في 3 (الصورة السفلية على اليسار) في المرحلة الأولى أثناء الإطلاق لمدة 1 ... 10 ثوانٍ تيار توصيل يبلغ حوالي 100 كيلو أمبيراتضح أن القيود الهندسية تملي إما مجالًا منخفضًا في tokamak الكروي ... أو رفض النهج القياسي للإطلاق. يستخدم ST40 طريقة جديدة لبدء تسخين البلازما وحلقة الجيل الحالي - ضغط وإعادة توصيل الخطوط المغناطيسية. هذه الظاهرة هي المسؤولة عن التوهجات الشمسية ، ويمكن أن تسخن البلازما. فعالية هذا النهج ليست واضحة ، وهذه هي المهمة الأولى لـ ST40 - ستتعلم كيفية بدء تيار بلازما دون استخدام ملف لولبي مركزي (لا يزال DC الصغير في تصميم ST40 للحفاظ على ملف تعريف تيار مسطح أثناء بدء التشغيل ، ولكن حجمه أقل بحوالي 10 مرات مما هو عليه في الكلاسيكية مخطط).
إعادة التوصيل المغناطيسي هي ظاهرة إعادة تشكيل المجال المغناطيسي عندما يكون هناك أنبوبان في اتجاهين متعاكسين "ماس كهربائى" ويختفون إطلاق الطاقة. في الصورة ، هذه هي الأنابيب الخارجية لمجالات "التدفق" ، ويتم تحرير الطاقة في اتجاهات الأسهم الرأسية.
الحل الهندسي الثاني في محاولة لاختراق الحدود هو استخدام نظام النحاس المبرد إلى درجة حرارة النيتروجين السائل. هذا يقلل من مقاومة النحاس بمقدار 20-30 مرة ، ويسمح لك بزيادة الكثافة الحالية بعشرات المرات. إن الحيلة التي ستسمح لـ ST40 الصغيرة باللحاق بالآلات الكبيرة باهظة الثمن من حيث Q والطاقة النووية الحرارية هي طريق مسدود تمامًا - هذا الحل لا يسمح بالتبديل إلى tokamak الذي يعمل لأكثر من 10 ثوانٍ. تعتمد TE هنا على الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، ومع ذلك ، من الصعب تحقيق الكثافة الهندسية المطلوبة في العمود الحالي المركزي (100 أمبير على الأقل لكل مليمتر مربع) ، نظرًا للحجم الذي يشغله العزل الكهربائي والحراري ، وحماية النيوترونات ، والمكونات الهيكلية ، إلخ. على سبيل المثال ، في
مغناطيس حلقي ITER ، تكون كثافة التيار الهندسي 11 A / mm ^ 2 فقط. هذه واحدة من أصعب العقبات أمام توكاماك الكروية ، وكيف أن توكاماك إنرجي ستحلها غير معروفة.
حلقة لتأمين ملفات إعادة التوصيل بالضغط داخل حجرة التفريغ ST40. واجه مهندسو Tokamak Energy بالفعل مشكلة واحدة من عالم المغناطيسات الحرارية النووية - قوى pondemotor الكبيرة المشوهة ، ولكن بالنسبة للنموذج الأولي للطاقة ، ستنمو هذه القوى بأمر من الحجم.كما قلت ، يثير هذا المشروع مشاعر مختلطة. أحدها مفاجأة غير مشروطة ، بل وحماس لمعلمات تركيب نووي حراري صغير ، والذي يضع نظريًا أخطر توكاماك بتمويل حكومي لمئات الملايين من الدولارات في الحزام. الشعور الثاني هو خيبة الأمل من الواقع.
في الواقع ، فإن "إطلاق" ST40 هو مجرد مجموعة من الفراغ وتنظيف الأسطح الداخلية عن طريق تفريغ متوهج في بلازما الليثيوم (اللون الأخضر الجميل). لم يتم تجميع النظام المغناطيسي حتى الآن وتركيبه على غرفة فراغ ، حتى في أبسط تكوين ، على الرغم من أنه وفقًا للخطط قبل عام ، كان يجب أن يحدث هذا في مطلع عام 16/17. قبل أن تغلق السجلات أحزمة JET و JT-60U ، لا يزال يتعين على التثبيت أن يمر بعدة ترقيات خطيرة (تثبيت جهاز تبريد حول توكاماك ، وإنشاء نظام تبريد النيتروجين السائل للمغناطيسات ، وترقية نظام إمداد الطاقة المغناطيسية لما يصل إلى عشرة أضعاف كمية الطاقة المخزنة ، وتركيب حاقنات الحزمة المحايدة ، وما إلى ذلك. .) - في وتيرة العمل هذه ، يمكن فقط لهذه المهام أن تستمر حتى عام 2025.
على الرغم من أن غرفة فراغ ST40 ليست بمثل هذا المنتج البسيط ، إلا أن تعقيدها أقل بكثير من التركيب بأكمله ، ناهيك عن التوصيل الفائق التالي "ST *". لذا فإن المهندسين TE هم فقط في البداية."الطاقة النووية الحرارية" ، التي نناقشها عند الحديث عن Q ، في حالة ST40 ستكون افتراضية قليلاً أيضًا ، يتم تحويلها من الإخراج النيوتروني للبلازما DD (التي ستعمل معها ST40 بالفعل) إلى DT (ومع ذلك ، يتم هذا التحويل من الطاقة النيوترونية بشكل لا لبس فيه) . هذا يرجع إلى حقيقة أن العمل مع التريتيوم يعني فئة تركيب مختلفة تمامًا مع سنوات عديدة من الحصول على ترخيص لها من منظم ذري وعلى الأرجح مع بناء مجمع خاص من المباني. ربما تقوم الشركة المصرية للاتصالات بالفعل بهذا العمل للحصول على المزيد من التراخيص النووية ، إن لم يكن لهذا ، ثم للسيارة التالية ، ولكن حتى الآن لم يتم الإعلان عن ذلك بأي شكل من الأشكال ، فهو غير مرئي في الحلول الهندسية وخطط الحملة. على وجه التحديد ، المكون النووي من توكاماك هو نوع من ايفرست ، والتي يمكن أن يصعد عليها عدد قليل جدًا من المشاريع - إنه صعب للغاية ومكلف للغاية وغير آمن. يحدد المكون النووي في النهاية التكلفة والمظهر الهندسي لمحطة الطاقة ، ويعني "نسيانها" نسيان حوالي 50٪ من التعقيد والتعقيد.
تقودنا هذه الأفكار بسلاسة إلى السؤال الذي ليس لدي إجابة عليه - من ولماذا يستثمر اليوم في الشركات الناشئة في جميع أنحاء العالم؟ شهد العقد الماضي ازدهارًا واضحًا لمثل هذه المشاريع - Tokamak Energy و
Tri Alpha Energy و
General Fusion و
Helion Energy وغيرها ، على الرغم من حقيقة أن سوق الكهرباء مكتئب وأن بناء محطات طاقة جديدة من أي نوع أمر غير مربح بدون دعم ، باستثناء الدول النامية. إذا طورت شركة Tri Alpha فكرة تثبيت دمج خالٍ من النيوترونات ، الأمر الذي قد لا يتطلب ترخيصًا ، ويأمل الجنرال فيوجن أن تعمل فكرة الاندماج "منخفض التقنية" ، فعندئذٍ يصعب تخيل كيف يمكنك الدفع مقابل ذلك بالنسبة للمخططات التقليدية إلى حد ما - بنفس الطريقة مدى صعوبة تخيل استرداد "مفاعل نووي في كل منزل" ، على الرغم من الجدوى الهندسية لمثل هذا المرفق.
إما أن المستثمرين لا يزالون في نموذج الستينيات ... السبعينيات ، أو يأملون في أسواق جديدة (على سبيل المثال ، استبدال محطات الطاقة التي تعمل بالفحم في السعي لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون) ، أو يجعل علم النفس الاستثماري الاستثمار في أي مشاريع واسعة الأسواق (ولا يزال سوق الكهرباء من أكبر الأسواق). ومع ذلك ، تبقى الحقيقة أنه في العالم الحديث هناك أموال تسمح لك بالتحقق من العديد من الأفكار "العمودية" في الحديد ، وربما تعطي واحدة منها الطاقة النووية الحرارية الأولى حتى قبل أن تصل ITER إلى طاقتها الكاملة.
PS استخدمنا صورًا من
إينستاجرام Tokamak Energy ،
مقالة حول الأساس الهندسي والمادي لـ ST40 و
"الفلسفة" المادية لاختيار حجم tokamak .