Leise thermonukleare Revolution

Es gibt wahrscheinlich kein einziges Feld menschlicher Aktivitäten, das so voller Enttäuschungen und abgelehnter Helden ist wie Versuche, thermonukleare Energie zu erzeugen. Hunderte von Reaktorkonzepten, Dutzende von Teams, die durchweg zu den Favoriten der öffentlichen und staatlichen Haushalte geworden sind und sich schließlich in Form von Tokamaks für den Gewinner entschieden haben. Und auch hier wecken die Errungenschaften der Nowosibirsker Wissenschaftler weltweit das Interesse an einem Konzept, das in den 80er Jahren brutal mit Füßen getreten wurde. Und jetzt im Detail.


GDL Open Trap mit beeindruckenden Ergebnissen

Unter der ganzen Vielzahl von Vorschlägen ist die Gewinnung von Energie aus der Kernfusion am stärksten auf den stationären Einschluss eines relativ lockeren Kernkernplasmas ausgerichtet. Zum Beispiel das ITER-Projekt und allgemeiner - Toroidfallen Tokamaki und Stellaratoren - von hier aus. Sie sind toroidal, weil es die einfachste Form eines geschlossenen Gefäßes mit Magnetfeldern ist (aufgrund des Igelkammsatzes)ein kugelförmiges Gefäß kann nicht hergestellt werden). Zu Beginn der Forschung auf dem Gebiet der kontrollierten thermonuklearen Fusion waren die Favoriten jedoch keine Fallen komplexer dreidimensionaler Geometrie, sondern Versuche, das Plasma in den sogenannten offenen Fallen zu halten. Dies sind üblicherweise auch zylindrisch geformte Magnetgefäße, in denen das Plasma in radialer Richtung gut zurückgehalten wird und von beiden Enden fließt. Die Idee der Erfinder ist hier einfach: Wenn die Erwärmung eines neuen Plasmas durch eine thermonukleare Reaktion schneller abläuft als der Wärmestrom von den Enden, dann segne Gott ihn, mit der Offenheit unseres Gefäßes wird die Energie erzeugt und das Leck wird immer noch in einem Vakuumgefäß auftreten und der Brennstoff wird Gehen Sie in den Reaktor, bis er ausbrennt.


Die Idee einer offenen Falle ist ein Magnetzylinder mit Korken / Spiegeln an den Enden und Expander dahinter.

Darüber hinaus wird in allen offenen Fallen die eine oder andere Methode verwendet, um zu verhindern, dass das Plasma durch die Enden entweicht - und die einfachste Methode besteht darin, das Magnetfeld an den Enden stark zu erhöhen (in der russischen Terminologie magnetische „Stecker“ oder in der westlichen Terminologie „Spiegel“) tatsächlich einfallende geladene Teilchen springen aus den Spiegelspiegeln und nur ein kleiner Teil des Plasmas wird durch sie hindurchtreten und in spezielle Expander fallen.


Und eine etwas weniger schematische Darstellung der heutigen Heldin - eine Vakuumkammer, in der das Plasma fliegt, und alle anderen Geräte.

Das erste Experiment mit einer "Spiegel" - oder "offenen" Falle - Q-Gurke - wurde 1955 im amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt. Dieses Labor ist seit vielen Jahren führend in der Entwicklung des TCB-Konzepts auf Basis offener Fallen (OL).


Das weltweit erste Experiment - eine offene Falle mit Magnetspiegeln Q-Gurke

Im Vergleich zu geschlossenen Wettbewerbern lassen sich die Vorteile von OL in einer viel einfacheren Geometrie des Reaktors und seines Magnetsystems beschreiben, was niedrige Kosten bedeutet. Nach dem Sturz des ersten Favoriten der TCB-Z-Pinch-Reaktoren erhalten offene Fallen Anfang der 60er Jahre maximale Priorität und Finanzierung, was eine schnelle Lösung für wenig Geld verspricht.


Anfang der 60er Jahre, Tischplattenfalle

Die Z-Prise trat jedoch nicht zufällig zurück. Seine Beerdigung war mit der Manifestation der Natur von Plasma verbunden - Instabilitäten, die Plasmabildungen zerstörten, wenn versucht wurde, das Plasma mit einem Magnetfeld zu komprimieren. Und diese Besonderheit, die vor 50 Jahren nur unzureichend untersucht wurde, begann sofort, Experimentatoren mit offener Falle zu stören. Die Instabilitäten der Flöte erschweren das Magnetsystem, indem sie neben einfachen runden Magneten auch „Joffe-Sticks“, „Baseballfallen“ und „Yin-Yang-Spulen“ einführen und das Verhältnis des Magnetfelddrucks zum Plasmadruck verringern (Parameter β).


"Baseball" supraleitende Magnetfallen Baseball II, Mitte der 70er Jahre

Außerdem verläuft die Plasmaaustrittung bei Partikeln mit unterschiedlichen Energien unterschiedlich, was zu einem Plasma-Ungleichgewicht (d. H. Dem Nicht-Maxwellschen Partikelgeschwindigkeitsspektrum) führt, das eine Reihe unangenehmer Instabilitäten verursacht. Diese Instabilitäten, die das Plasma „schwingen“, beschleunigen sein Entweichen durch die Endspiegelzellen. In den späten 60er Jahren erreichten einfache Versionen offener Fallen die Grenze in Temperatur und Dichte des gehaltenen Plasmas, und diese Zahlen waren um Größenordnungen geringer als diejenigen, die für eine thermonukleare Reaktion benötigt wurden. Das Problem bestand hauptsächlich in der schnellen Längskühlung von Elektronen, die dann Energie und Ionen verloren. Neue Ideen wurden benötigt.


Erfolgreiche TMX-U Ambipolar Trap

Physiker schlagen neue Lösungen vor, die sich hauptsächlich auf die Verbesserung des longitudinalen Plasmaeinschlusses beziehen: ambipolarer Einschluss, Wellpappenfallen und gasdynamische Fallen.

• Der ambipolare Einschluss basiert auf der Tatsache, dass Elektronen 28-mal schneller aus einer offenen Falle „austreten“ als Deuterium- und Tritiumionen, und an den Enden der Falle entsteht eine Potentialdifferenz - positiv von den Ionen innen und negativ außen. Wenn an den Enden des Aufbaus ein Feld mit einem dichten Plasma verstärkt wird, verhindert das ambipolare Potential in einem dichten Plasma, dass der interne, weniger dichte Inhalt gestreut wird.
• Wellpappenfallen erzeugen am Ende ein "geripptes" Magnetfeld, in dem schwere Ionen aufgrund von "Reibung" gegen in "Mulden" eingeschlossene Fallenfelder auseinander fliegen.
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Interessanterweise erforderten alle diese Konzepte, mit denen experimentelle Einrichtungen gebaut wurden, eine weitere Komplikation der Open-Trap-Technik. Zunächst erscheinen hier im TCB-Komplex erstmals Neutronenstrahlbeschleuniger, die das Plasma erwärmen (in den ersten Anlagen wurde die Erwärmung durch eine konventionelle elektrische Entladung erreicht) und seine Dichte in der Anlage modulieren. Hinzu kommt die Radiofrequenzheizung, die erstmals um die Wende der 60er / 70er Jahre in Tokamaks auftrat. Große und teure Gamma-10-Einheiten sind in Japan im Bau, TMX in den USA, AMBAL-M, GOL und GDL in Novosibirsk INP.


Das Gamma-10-Magnetsystem und das Plasmaheizungsdiagramm zeigen deutlich, wie weit sie von einfachen OL-Lösungen bis in die 80er Jahre fortgeschritten sind.

Parallel dazu erreichten amerikanische Forscher 1975 an der 2X-IIB-Falle als erste weltweit eine symbolische Ionentemperatur von 10 kV, was für die thermonukleare Verbrennung von Deuterium und Tritium optimal ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sie in den 60er und 70er Jahren in irgendeiner Weise unter das Zeichen des Strebens nach der gewünschten Temperatur gerieten, weil Die Temperatur bestimmt, ob der Reaktor überhaupt arbeitet, während die beiden anderen Parameter - Dichte und Geschwindigkeit des Austritts von Energie aus dem Plasma (oder häufiger als "Retentionszeit" bezeichnet) - durch Vergrößern des Reaktors ausgeglichen werden können. Trotz der symbolischen Errungenschaft war 2X-IIB sehr weit von einem sogenannten Reaktor entfernt - die theoretisch zugewiesene Leistung würde 0,1% des für das Halten und Erhitzen aufgewendeten Plasmas betragen. Ein ernstes Problem blieb die niedrige Elektronentemperatur - in der Größenordnung von 90 eV vor einem Hintergrund von 10 kev Ionen, verbunden mitAuf die eine oder andere Weise kühlten sich die Elektronen gegen die Wände der Vakuumkammer ab, in der sich die Falle befindet.


Elemente der heute nicht mehr existierenden ambipolaren Falle AMBAL-M

In den frühen 80er Jahren gab es einen Höhepunkt in der Entwicklung dieses TCB-Zweigs. Der Höhepunkt der Entwicklung ist das US-amerikanische MFTF-Projekt im Wert von 372 Millionen US-Dollar (oder 820 Millionen US-Dollar zu heutigen Preisen, wodurch das Projekt einer Maschine wie dem Wendelstein 7-X oder dem K-STAR-Tokamak näher kommt).


Die supraleitenden Magnetmodule des MFTF ...


und das Gehäuse seines supraleitenden 400-Tonnen- Endmagneten

Es war eine ambipolare Falle mit supraleitenden Magneten, einschließlich Meisterstück Terminal „Yin-Yang“, zahlreiche Systeme und Heizplasmadiagnostik, ein Rekord in jeder Hinsicht. Es war geplant, Q = 0,5 zu erreichen, d.h. Die Energieabgabe der thermonuklearen Reaktion beträgt nur die Hälfte der Kosten für die Aufrechterhaltung des Reaktorbetriebs. Welche Ergebnisse hat dieses Programm erzielt? Es wurde durch eine politische Entscheidung in einem Staat geschlossen, der kurz vor dem Start stand.


Das Terminal "Yin-Yang" MFTF während der Installation in einer 10-Meter-Vakuumkammer der Installation. Seine Länge sollte 60 Meter erreichen.

Trotz der Tatsache, dass diese von allen Seiten schockierende Entscheidung sehr schwer zu erklären ist, werde ich es versuchen.
Bis 1986, als die MFTF bereit war, am Horizont der TCB-Konzepte zu starten, wurde ein Stern eines anderen Favoriten beleuchtet. Eine einfache und kostengünstige Alternative zu „bronzierten“ offenen Fallen, die zu diesem Zeitpunkt vor dem Hintergrund des ursprünglichen Konzepts der frühen 60er Jahre zu komplex und teuer geworden waren. All diese supraleitenden Magnete mit Puzzle-Konfigurationen, schnelle neutrale Injektoren, leistungsstarke Hochfrequenz-Plasma-Heizsysteme und Systeme zur Unterdrückung der Puzzle-Instabilität - so schien es Solche komplexen Anlagen werden niemals zum Prototyp eines Kernkraftwerks.


JET in der anfänglich begrenzten Konfiguration und Kupferspulen.

Also Tokamaki. In den frühen 80er Jahren erreichten diese Maschinen Plasmaparameter, die ausreichten, um eine thermonukleare Reaktion zu verbrennen. 1984 wurde der europäische JET-Tokamak auf den Markt gebracht, der Q = 1 anzeigen sollte. Er verwendet einfache Kupfermagnete und kostet nur 180 Millionen Dollar. In der UdSSR und in Frankreich werden supraleitende Tokamaks entwickelt, die fast keine Energie für den Betrieb des Magnetsystems verbrauchen. Gleichzeitig können Physiker, die jahrelang an offenen Fallen arbeiten, keine Fortschritte bei der Erhöhung der Plasmastabilität, der Elektronentemperatur und der Versprechen von MFTF-Errungenschaften erzielen, die zunehmend vage werden. Die nächsten Jahrzehnte werden übrigens zeigen, dass sich die Wette auf Tokamaks als relativ gerechtfertigt herausstellte - es waren diese Fallen, die das Niveau der Kapazitäten und Q erreichten, was für Energieingenieure interessant war.


Der Erfolg offener Fallen und Tokamaks zu Beginn der 80er Jahre auf der Karte des „Triple Parameters“. JET wird 1997 einen Punkt leicht über TFTR 1983 erreichen.

Die MFTF-Entscheidung untergräbt schließlich die Position dieses Gebiets. Obwohl derzeit Experimente am INP Novosibirsk und am japanischen Gamma-10-Werk durchgeführt werden, werden in den USA recht erfolgreiche Programme der Vorgänger TMX und 2X-IIB geschlossen.
Das Ende der Geschichte? Nein. Buchstäblich vor unseren Augen findet 2015 eine erstaunliche stille Revolution statt. Forscher vom Institut für Kernphysik. Budkers in Nowosibirsk, die die GDL-Falle sukzessive verbesserten (übrigens sollte beachtet werden, dass ambipolare statt gasdynamische Fallen im Westen überlegen waren), erreichen plötzlich Plasmaparameter, die in den 80er Jahren von Skeptikern als „unmöglich“ vorausgesagt wurden.


Noch einmal GDL. Grüne Zylinder, die in verschiedene Richtungen herausragen, sind neutrale Injektoren, die unten diskutiert werden.

Die drei Hauptprobleme, die offene Fallen vergraben haben, sind die MHD-Stabilität in einer achsensymmetrischen Konfiguration (die komplexe Magnete erfordert), die Nichtgleichgewichtsionenverteilungsfunktion (Mikroinstabilität) und die niedrige Elektronentemperatur. Im Jahr 2015 erreichte die GDL mit einem Beta-Wert von 0,6 eine Elektronentemperatur von 1 keV. Wie ist das passiert?
Das Vermeiden einer axialen (zylindrischen) Symmetrie in den 60er Jahren bei Versuchen, die Flöte und andere MHD-Instabilitäten des Plasmas zu besiegen, führte neben der Komplikation magnetischer Systeme auch zu einem Anstieg des radialen Wärmeverlusts des Plasmas. Eine Gruppe von Wissenschaftlern, die mit GDL zusammenarbeiteten, nutzte die Idee der 80er Jahre, um ein radiales elektrisches Feld anzulegen und ein wirbelndes Plasma zu erzeugen. Dieser Ansatz führte zu einem brillanten Sieg - bei Beta 0,6 (ich erinnere mich, dass dieses Verhältnis von Plasmadruck zu Magnetfelddruck ein sehr wichtiger Parameter bei der Auslegung eines thermonuklearen Reaktors ist -, da die Geschwindigkeit und Dichte der Energiefreisetzung durch den Plasmadruck bestimmt werden und die Kosten des Reaktors bestimmt werden Leistung seiner Magnete) ist im Vergleich zum Tokamak 0,05-0,1 Plasma stabil.


Neue Messinstrumente - „Diagnostik“ - ermöglichen ein besseres Verständnis der Plasmaphysik in GDL

Das zweite Problem mit Mikroinstabilitäten, das durch das Fehlen von Ionen mit niedrigen Temperaturen verursacht wird (die durch das ambipolare Potential von den Enden der Falle gezogen werden), wurde durch Kippen der Injektoren für neutrale Strahlen in einem Winkel gelöst. Diese Anordnung erzeugt Ionendichtespitzen entlang der Plasmafalle, die das Verlassen der "warmen" Ionen verzögern. Eine relativ einfache Lösung führt zur vollständigen Unterdrückung von Mikroinstabilitäten und zu einer signifikanten Verbesserung der Plasmaeinschlussparameter.


Neutronenfluss aus der thermonuklearen Verbrennung von Deuterium in der GDL-Falle. Schwarze Punkte - Messungen, Linien - unterschiedliche berechnete Werte für unterschiedliche Niveaus von Mikroinstabilitäten. Rote Linie - Mikroinstabilität unterdrückt.

Schließlich ist der Hauptgräber die niedrige Temperatur der Elektronen. Obwohl für Ionen in Fallen thermonukleare Parameter erreicht wurden, ist eine hohe Elektronentemperatur der Schlüssel, um zu verhindern, dass heiße Ionen abkühlen, und daher ein hoher Q-Wert. Der Grund für die niedrige Temperatur ist die hohe Wärmeleitfähigkeit „entlang“ und das ambipolare Potential, das „kalte“ Elektronen von Expandern an den Enden saugt Fallen im Magnetsystem. Bis 2014 überschritt die Elektronentemperatur in offenen Fallen 300 eV nicht und der psychologisch wichtige Wert von 1 kV wurde in der GDL erhalten. Es wurde aufgrund der feinen Arbeit mit der Physik der Wechselwirkung von Elektronen in terminalen Expandern mit einem neutralen Gas und Plasmaabsorbern erhalten.
Dies stellt die Situation auf den Kopf. Jetzt bedrohen einfache Fallen erneut das Primat der Tokamaks, die ungeheure Größen und Komplexität erreicht haben ( mehrere Beispiele für die Komplexität von ITER- Systemen ). Darüber hinaus ist diese Meinung nicht nur von Wissenschaftlern von INP, sondern auch von seriösen amerikanischen Wissenschaftlern , die in maßgeblichen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden.


Mehr GDL schließen. Vielen Dank für die Fotos dedmaxopka

Bisher hat der Erfolg der GDL jedoch zu neuen Vorschlägen für Installationen nur am INP selbst geführt. Nachdem das Institut ein Stipendium des Ministeriums für Bildung und Wissenschaft in Höhe von 650 Millionen Rubel erhalten hat, wird es im Rahmen des vielversprechenden Rektors " GDML-U " mehrere technische Stände errichten", die Ideen und Errungenschaften von GDF zu kombinieren und einen Weg zu finden, um die Längsretention des GOL zu verbessern. Obwohl sich das Image von GDFM unter dem Einfluss neuer Ergebnisse ändert, bleibt es die Hauptidee im Bereich der offenen Fallen.



Wo sind aktuelle und zukünftige Entwicklungen im Vergleich zu Wettbewerbern? Tokamaki hat, wie Sie wissen, erreicht Werte von Q = 1, sie haben viele technische Probleme gelöst, ich werde mich eher dem Bau von nuklearen als elektrischen Anlagen zuwenden und gehe zuversichtlich auf den Prototyp eines Energiereaktors mit Q = 10 und einer thermonuklearen Leistung von bis zu 700 MW (ITER) zu. Tori, aus dem Studium der Grundlagenphysik und die Lösung von technischen Problemen mit Q = 0,1, aber es ist nicht in Gefahr gehen ein paar Schritte auf dem Gebiet wirklich Kernanlagen Thermonuklearen gehen hinkt von Tritium zu verbrennen. GDML-U mit dem ähnlich sein könnte W-7X StellaratorAufgrund der einfachen Geometrie können die Kosten gemäß den Plasmaparametern (bei denen es sich jedoch um eine gepulste Anlage mit einer Entladungsdauer von mehreren Sekunden gegenüber W-7X auf halber Stunde handelt) jedoch um ein Vielfaches niedriger sein als beim deutschen Stellarator.


INP-Bewertung.

Es gibt Möglichkeiten, GDMF als Einrichtung zur Untersuchung der Wechselwirkung von Plasma und Materialien (es gibt jedoch eine ganze Reihe solcher Einrichtungen auf der Welt) und als thermonukleare Quelle von Neutronen für verschiedene Zwecke zu verwenden.


Extrapolation von GDMF-Größen in Abhängigkeit von der gewünschten Q und möglichen Anwendungen.

Wenn morgen offene Fallen im Rennen um die TCB wieder zu Favoriten werden, ist zu erwarten, dass sie aufgrund geringerer Kapitalinvestitionen in jeder Phase bis 2050 Tokamaks einholen und überholen und zum Herzen der ersten thermonuklearen Kraftwerke werden. Es sei denn, das Plasma bietet neue unangenehme Überraschungen ...

Source: https://habr.com/ru/post/de391541/