Tri Alpha Plasma Vortex Fusionsreaktor

Wie Sie wissen, läuft die thermonukleare Reaktion des Deuterium-Tritium-Gemisches auch bei Raumtemperatur ab, nur zu langsam, um von Interesse zu sein. Um eine industrielle Energiefreisetzung (1-10 Megawatt pro Kubikmeter) zu erreichen, müssen Bedingungen für den Plasmaeinschluss mit einer Temperatur von 100-200 Millionen Grad und einer Dichte von 1 ... 2 * 10 ^ 20 Partikeln pro Kubikmeter geschaffen werden. Bei ungefähr diesen Parametern beginnt sich das System selbst auszugleichen (in Tokamaks) - die Energiefreisetzung wird mit Leckagen und den Kosten für das Erhitzen neuer Kraftstoffportionen verglichen. Diese extremen Zahlen sind für alle Entwickler von thermonuklearen Reaktoren von Interesse, und ihre Erreichung ist die Aufgabe vieler Jahrzehnte der Entwicklung des Konzepts der kontrollierten thermonuklearen Fusion (TCF). GDL


offene Falle — . . .


Wie ich im Bildungsprogramm zur Tokamak-Physik schrieb , ist das Hauptproblem eines solchen Plasmas das Austreten von Wärme aus ihm. Sie versuchen, dieses Problem auf zwei Arten zu lösen - indem sie großvolumige Magnetfallen (von denen die wichtigste ITER ist) schaffen, bei denen die externe und interne Heizung der Kühlung in gepulsten Anlagen entsprechen, in denen das auf thermonukleare Parameter komprimierte Plasma so heftig brennt, dass es genügend thermonukleare Energie freisetzt diese Millisekunden, die so cool sind. Für ein solches Regime muss das Plasma jedoch noch stärker erhitzt und (wenn auch nur kurz) noch stärker komprimiert werden als in Permanentmagnetfallen. Der Fortschritt auf diesem Weg ist aufgrund der grundlegenden Instabilität des Plasmas, das beim Komprimieren aus dem Druckfeld „rutscht“ und sich auflöst und Temperatur und Dichte verliert, noch trauriger als bei Tokamaks.


Eine der fortschrittlichsten Optionen für einen gepulsten TCB ist beispielsweise MagLIF .

Bei dem Versuch, diesem Weg zu folgen, machten Forscher in den 70er Jahren auf Plasmawirbel aufmerksam, die als FRCs (Field Reversed Configurations) bezeichnet werden und eine ähnliche Struktur wie Tabakrauchringe aufweisen.


Plasma-Wirbel-FRC mit einem eingefrorenen magnetischen Poloidfeld (blau), "spontan" in einem longitudinalen Magnetfeld (grün).

Sie erwiesen sich als stabile und lang spielende Formationen. Sie sind einfach zu verwalten - beschleunigen, komprimieren, zusammenführen und trennen. Darüber hinaus hatten sie einen äußerst wichtigen Vorteil - der Druck ihres eigenen eingefrorenen Magnetfelds lag nahe am Plasmadruck, d.h. Das Design war gut geeignet, um leicht hohe Temperatur- und Druckparameter zu erreichen. Zusammen mit der einfachsten selbstkontrahierenden Z-Pinch-Plasmabildung sind sie nun häufige Gäste in den Ideen gepulster thermonuklearer Reaktoren ... Wo andere Plasmabildungen entweder durch Instabilitäten zerstört oder während der Kompression einfach im Raum verteilt wurden, versprach FRC greifbare Vorteile.


FRC kann in vielen Reaktoren gefunden werden. Zum Beispiel im Plasma Liner Experiment des Los Alamos National Laboratory.

1997 schlugen die Vereinigten Staaten das Konzept des Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR) vor, einer gepulsten Schaltung, bei der zwei dispergierte Plasmawirbel vom FRC-Typ in der Mitte der Maschine durch ein gepulstes Magnetfeld kollidierten und komprimiert wurden und ein Plasma mit ausreichender Dichte und Temperatur bildeten, um die thermonukleare Reaktion zu entzünden. Gleichzeitig garantierte die Verwendung von FRC, dass dieses Plasma unter den Bedingungen einer thermonuklearen Reaktionsverbrennung so lange überleben würde, dass die zugewiesene Fusionsenergie für den kostengünstigen Betrieb des Kraftwerks ausreicht, einschließlich der Kosten für den Betrieb des CBFR selbst. Natürlich, wenn das Konzept und die Berechnungen der Autoren völlig korrekt wären.


In den 90er Jahren zeichneten sie einen 100-Megawatt-Generator, der auf zwei 50-Megawatt-Pulsreaktoren CBFR basiert.


CBFR: 2 FRC . .

Basierend auf diesem Konzept entwickelten mehrere Startups sofort die Idee von CBFR. Erfolgreicher bei der Geldbeschaffung waren Helion Energy und Tri Aplha Energy. Die ersteren versuchen, einen Reaktor basierend auf der D + He3-Reaktion herzustellen, und erklären, dass sie auf ihrem Prototyp eine Temperatur von 5 kV, ein Feld von 100 T und eine Lebensdauer von 1 ms erhalten. Ihre Plasmadichte ist unbekannt, aber unter der Annahme, dass 10 ^ 20 Partikel pro Kubikmeter für solche Experimente häufig sind, ist sie 100-mal schlechter als die Gewinnschwelle (Energieabgabe entspricht den Kosten für Erwärmung und Kompression, ohne Berücksichtigung der Installationskosten) für die D + T-Reaktion und etwa 50.000 Mal schlechter als für einen funktionierenden Reaktor benötigt. Die Ausrüstung, mit der sie diese Werte erreicht zu haben scheinen, lässt jedoch die behaupteten Zahlen bezweifeln.


Laborinstallation Helion.

Die Konkurrenten Tri Alpha (gegründet von den CBFR-Konzeptentwicklern Norman Rostoker und Hendrik Monkhorst) haben jedoch beide große Ambitionen - die komplexeste p + B-Reaktion für thermonukleare Energie und einen größeren Reaktor zur Umsetzung dieser Ideen zu verwenden, und 150 Mitarbeiter.


Im Tri Alpha Reaktor Prototyp Kontrollraum.

Der Vorteil der gewählten Reaktion ist das Fehlen von Neutronen, die den Reaktor aktivieren und in ein Kernobjekt verwandeln, und die unbegrenzte Versorgung mit Quellen (im Gegensatz zu Lithium für die D + T-Reaktion oder Helium-3, das für He3 + D tatsächlich am Boden fehlt). Der Nachteil sind viel mehr (60-fache) raue Plasmaverbrennungsbedingungen und große Probleme mit störender Gammastrahlung.


Konzeptionell verwendet TAE denselben Reaktor wie Helion, nur zehnmal mehr.


Aktueller Installationsstatus. Pulsinjektoren von neutralen Partikeln sind sichtbar (graue Fässer um den Reaktor).

Die Kalifornier Tri Alpha haben bereits Investitionen in Höhe von mehr als 100 Millionen US-Dollar getätigt (einschließlich von RUSNANO (!). A. Chubais ist eines der Mitglieder des Verwaltungsrates des Unternehmens, und das Unternehmen bestellt Geräte in Russland), wodurch sie viel nutzen konnten größer als im Labormaßstab. Der 23-Meter-Prototyp des „C2“ -Reaktors ähnelt in gewisser Weise den offenen INP-Fallen (wie auf dem ersten Foto) - ein Rohr, das in eine Reihe von Magneten gewickelt ist, deren Kanten in FRC-Wirbeln erzeugt werden und in der Mitte auf 250 km / s beschleunigen.


In der zentralen Kammer C2.

Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um eine ziemlich fortschrittliche Installation, bei der Titan-Getter verwendet werden, um gepulste Megawatt-Neutralinjektoren mit ultrahohem Vakuum ( hergestellt vom Nowosibirsk INP ) herzustellen , die die erforderlichen Ionendichteprofile im Reaktor, gepulste Quadrupolelektroden zur Bekämpfung kinetischer Instabilitäten und viele Instrumente zur Diagnose der Physik der auftretenden Phänomene erstellen.


Eine Reihe von Diagnosetools in der Installation C2.

Somit nähert sich die Installation den fortgeschrittenen Tokamaks der späten 70er Jahre in Bezug auf Komplexität und Aufgaben, doch im Gegensatz zu der großen (teilweise militärischen) Wissenschaft, die vom Staat finanziert wird, sind dies völlig private Hände.


Novosibirsk pulsneutrale Injektoren in Nahaufnahme.

Im Jahr 2015 gab Tri Alpha bekannt, dass es ihnen in den letzten Jahren gelungen ist, die Plasmaeinschlusszeit um das Zehnfache (bis zu 5 ms) zu erhöhen, wobei die Zeit durch die Pulslänge des NBI-Systems begrenzt ist. Jetzt sehen sie einen klaren Weg zur Installation eines großflächigen „C3“ wird 2017 fertig sein. Es ist geplant, ein Niveau zu erreichen, das für die Gewinnschwelle D + T ausreicht (theoretisch, da die Installation nur mit Deuterium ohne Verwendung von Tritium funktioniert), mit einer Plasmatemperatur von 100 Millionen Grad (10 kev) und einer Verweilzeit von 1 Sekunde. Bisher wurde dieses Niveau in zwei Tokamaks erreicht - dem europäischen JET und dem japanischen JT-60U. Beide Projekte kosten jedoch mindestens eine Milliarde Dollar und wurden durch die gemeinsamen Anstrengungen mehrerer Staaten geschaffen


Tokamak JT-60SA während der Demontage. Interessanterweise sind die grauen Säulen links wie in C2 auch Neutralstrahlinjektoren.

Weitere TAE-Pläne sind nicht bekannt. Das Unternehmen mag Werbung überhaupt nicht (es hat nicht einmal eine Website). Wie bei Reaktoren mit offener Falle ist es in Zukunft geplant, Energie durch direkte Umwandlung zu gewinnen - um Ionen und Elektronen zu verlangsamen und sie an den Polen eines speziellen Geräts kurzzuschließen. Der Wirkungsgrad und insbesondere der Preis eines solchen Verfahrens sind um ein Vielfaches besser als bei herkömmlichen thermischen Turbinenerzeugern. Es gibt Vorschläge für den Einsatz von Maschinen wie Triebwerken für Raumfahrzeuge (hi Wiverjet)!). Bisher kann man sagen, dass dies von allen alternativen Konzepten eines der vielversprechendsten ist, aber der riesige Friedhof mit vielversprechenden Konzepten für Kernkernreaktoren, der heute existiert, zwingt dieses Startup mit einem gewissen Anteil an Skepsis. Nun, in nur wenigen Jahren werden wir entweder die Geburt der thermonuklearen Energie sehen (ich werde Sie auch an General Fusion erinnern ) oder einen weiteren unrühmlichen Sonnenuntergang eines anderen vielversprechenden Startups.

Source: https://habr.com/ru/post/de384089/