Saubere Energie für einen Cent

Wann erscheinen Fusionskraftwerke? Wissenschaftler sagen meistens so etwas wie "In 20 Jahren werden wir alle grundlegenden Probleme lösen". Ingenieure aus der Atomindustrie sprechen über die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts. Politiker sprechen von einem Meer sauberer Energie für einen Cent, ohne sich um Datteln zu kümmern. Ökonomen sagen nie.


Yavlinsky, der Schöpfer des weltweit ersten T-1-Tokamak Artsimovich, versprach ebenfalls Kraftwerke in 20 Jahren.

Menschen neigen dazu, Vorhersagen zu treffen, indem sie aus Erfahrung extrapolieren. Bei den Versuchen, ein kommerzielles Kernkraftwerk zu errichten, ist die Erfahrung negativ - 60 Jahre Bemühungen haben zum halben Erfolg geführt - es gibt etwas, aber dies ist eindeutig nicht etwas, das jeden Tag zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Die Intuition besagt, dass wenn wir diese Mauer in 60 Jahren nicht überwunden haben, in Zukunft etwas Gutes nicht zu erwarten ist.

Und vergebens. Weil die Menge an Technologie und Wissen ständig wächst, auch über Plasma und seine Retention. Irgendwann wird unser Wissen ausreichen, um im normalen und routinemäßigen Prozess der Investition in die Entwicklung von Technologie ohne besondere Leistungen thermonukleare Energie zu ermöglichen.


Hier ist zum Beispiel ein Routinebeispiel für die Arbeit an einer Tri Alpha Energy C-2U-Installation

Psychologische Barrieren sind heute weitgehend auf dem Weg zu diesem „Vielleicht“. Zu oft waren Entwickler von Kernreaktoren mit Unvorhersehbarkeit, hohen Schätzungen und neuen unangenehmen Fakten aus dem Bereich der Plasmaphysik konfrontiert. Zu oft führte die Art und Weise, mit diesen Tatsachen umzugehen, das Konzept in eine wirtschaftliche Sackgasse, als zunächst zwei Dutzend technische Wunder auf eine einfache Maschine geschraubt wurden und die resultierende Installation selbst zu einer Rekordlösung wurde, in der es keinen Raum für „Benutzerfreundlichkeit“, „Zuverlässigkeit“, „gab Billigkeit. "


Ein luxuriöses neues Poster mit einem ITER-Schnitt weist auf die Tiefe der Arschprobleme mit der Komplexität thermonuklearer Installationen hin.

Vor diesem Hintergrund ist es sehr schwierig, Verantwortung für die Lösung zukünftiger, noch unbekannter Probleme zu übernehmen und zu postulieren, dass ein thermonuklearer Reaktor gebaut werden kann, selbst wenn Physik und Technik zuerst grünes Licht geben. Was ist, wenn sich mit dem Wachstum des Reaktors eine unangenehme neue Art von Instabilität öffnet? Was ist, wenn die Wirtschaft der genialen Technik von gestern feststellt, dass der Reaktor niedriger als der Sockel ist? Was ist, wenn die Materialien eines Kernreaktors mit einer Verlängerung der Betriebszeit von 10 auf 31000000 Sekunden nicht stehen bleiben?


Die offiziellen Pläne Europas versprechen , auch in sehr optimistischer Form, einen Prototyp eines Kernkraftwerks bis 2050. Gibt es Optionen, die jemand früher ausführen wird?

Heute ist der Bau von Kernkraftwerken psychologisch am nächstenDas kalifornische Unternehmen Tri Alpha Energy (TAE). Es gibt ein Team von 150 Personen, unter denen viele bedeutende Plasmistenphysiker unter Bedingungen stehen, unter denen sie alle 2-3 Jahre eine neue Errungenschaft im allgemeinen Umriss der Bewegung zu einem kommerziellen Kernkraftwerk nachweisen müssen. Tatsächlich legte er einen Plan für Entdeckungen auf dem Gebiet der Plasmaphysik fest. Die Kehrseite dieses Drucks ist das verrückte Tempo der Übersetzung der Ideen von Wissenschaftlern - sein ziemlich großer Versuchsaufbau Tri Alpha kann leicht in einem Monat nach dem Aufkommen neuer Ideen aktualisiert werden - im Vergleich zu den Jahren für Universitäts- und akademische Einrichtungen.


Ein interessantes Video von TAE ist die Wiederherstellung des Bildes von dem, was mit dem Plasma in der C-2U-Installation passiert. Achten Sie auf den Timer von oben links - es wird deutlich, dass das Halten des Plasmas ohne Zerfall von 8000 Mikrosekunden (der aktuelle Rekord) ziemlich lange dauert.

Die Idee, die dem TAE-Reaktor zugrunde liegt, besteht darin, Plasmawirbel (FRC - Field Reversed Configuration) zu verwenden, die die Eigenschaft der Selbstbeherrschung und einiger anderer Vorteile aufweisen und ihre Stabilität mit Hilfe von Neutralstrahlinjektoren aufrechterhalten Dies ist neuer als die Ideen eines Tokamaks, eines Stellarators oder einer klassischen offenen Falle. FRC haben einen eher ungewöhnlichen Satz von Eigenschaften, was es bequem macht, die thermonukleare Reaktion H ¹ + B ¹¹ = 3 * He in einem solchen Reaktor zu verwenden⁴ (H ^{1 ist} hier gewöhnlicher Wasserstoff, B ¹¹ ist das häufigste Borisotop und He ⁴ sind die emittierten Alpha-Partikel, daher der Name der Firma Three Alpha). Paradoxerweise ist dies eine der am schwierigsten zu erreichenden thermonuklearen Reaktionen - es erfordert Temperaturen, die 15-mal höher sind als die von „klassischem“ Deuterium-Tritium, und daher einen 15-mal höheren Magnetfelddruck, um die Anforderungen an die Reinheit aufrechtzuerhalten Plasma.


Die Geschwindigkeit verschiedener thermonuklearer Reaktionen bei gleicher Dichte hängt von der Temperatur ab. Beachten Sie, dass die Skala links logarithmisch ist. Bei einer Temperatur von 320 keV unterscheidet sich pB11 fast nicht von DHe3 und ist nur um ein Vielfaches langsamer als das klassische DT.

Mit FRC können Sie jedoch fast die gesamte Größe des Drucks des Magnetfelds verwenden, im Gegensatz zu Tokamaks, bei denen Sie nur 10% verwenden können. PB11 hat seine Vorteile - beide Komponenten sind weit verbreitet und sicher (im Gegensatz zu radioaktivem Tritium und dem He3-Heliumisotop, die auf der Erde nicht existieren, und wenn Tritium sogar aus Lithium gewonnen werden kann, kann He3 nur irgendwo im Weltraum gewonnen werden) Darüber hinaus erzeugt die Reaktion keine starke Neutronenstrahlung. Für einen DT-Reaktor ist Neutronenstrahlung, die 86% der Energie einer thermonuklearen Reaktion entzieht, eine echte Geißel, die Strukturmaterialien schnell zerstört und aktiviert. Für pB11 beträgt die Neutronenleistung ~ 0,1% der Reaktorleistung durch Nebenreaktionen.


FRC — . , TAE , , TAE .

Typischerweise achten Plasmisten mehr auf die extreme Komplexität beim Erhalten der für pB11 erforderlichen Plasmaparameter als auf die signifikanten wirtschaftlichen Vorteile dieser Reaktion. Tritium und Neutronen in einem Reaktor stellen eine enorme Belastung dar, die die Kosten und die Komplexität des Reaktorkonzepts vervielfacht. Die Physiker haben jedoch nicht mehr mit diesen Schwierigkeiten zu kämpfen. Andererseits besteht die mögliche Option für die D + He3-Reaktion auch darin, dass fast Aneutron (Neutronenleistung - 1-4% der Reaktorleistung) parallel zum Kraftwerk3 eine Heliumabbauinfrastruktur aufbauen muss3. Heute ist dies eine unvorstellbare Aufgabe (zum Beispiel kann sie in der Atmosphäre von Uranus gewonnen werden) , wie gefällt dir diese Option? Obwohl jemand unglücklich sein wird, dass wir am Ende keinen Kraftstoff von Uranus nehmen).


Für Investoren zeichnet TAE bereits einen vorläufigen Blick auf einen 380-Megawatt-Fusionsreaktor (elektrisch). Pläne für den Bau von fünfzig solcher Kraftwerke in den 2030er Jahren

Wasserstoff und Bor-11 sind günstiger als Kernbrennstoff - Uran 235 oder Plutonium 239.

Tri Alpha, das Experten auf der Ebene der besten Zentren der Welt für die Untersuchung von thermonuklearem Plasma gesammelt hat, bewegt sich sehr schnell. Erst im Jahr 2015 wurde gezeigt, dass FRC-Wirbel mit starken tangentialen Strahlen neutraler Partikel unterstützt werden, ohne zu zerfallen - eine der wichtigsten Aussagen des Gründerphysikers Norman Rostoker. Und jetzt bauen sie eine neue Anlage, in der eine 30-fache Erhöhung des Dreifachparameters (das Produkt aus Dichte, Temperatur und Retentionszeit - die Haupteigenschaften, die die Energieausbeute der thermonuklearen Reaktion bestimmen) des Plasmas erreicht werden sollte. Wenn TAE erneut auf den Erfolg wartet, kann mit dieser Installation die sogenannte Skalierung ermittelt werden - die empirische Abhängigkeit des Tripelparameters von den Eigenschaften der Installation (Größe, Magnetfeld, Leistung der Neutralinjektoren usw.). Und Skalierung wiederumDamit können wir bereits mit hoher Genauigkeit feststellen, ob es wirklich möglich ist, einen Reaktor nach der Tri-Alpha-Idee herzustellen, oder ob er nicht erreichbar ist.


, TAE — C2W, 8 , FRC 1-3 ~30 , , .


— , , . Q pB11 — .

Es ist interessant, dass die Natur auf diese Weise manchmal nicht nur Schwierigkeiten, sondern auch Geschenke aufwirft. Beispielsweise steht in allen Lehrbüchern geschrieben, dass die thermonukleare Wasserstoff-Bor-Reaktion (p + B11 -> He4 + He4 + He4) in einem optisch transparenten Plasma immer mehr Energie verliert als sie emittiert, d.h. Um dies aufrechtzuerhalten, ist eine externe Heizung erforderlich - im Idealfall ein Pfad und nur ~ 15% der Leistung eines Kernreaktors. Diese unangenehme Eigenschaft von pB11 lässt sich leicht aus dem Querschnitt (Wahrscheinlichkeit) der Reaktion bei der Kollision eines Protons und eines Borions und der Berechnung elektromagnetischer Verluste während der Streuung heißer Elektronen berechnen (und pB11 erfordert eine Temperatur, die 20-mal höher ist als die ITER-Reaktion D + T-> He + n). Neue, genauere Messungen des Reaktionsquerschnitts pB11 zeigten also, dass der Querschnitt höher ist als bisher angenommen.Bei bestimmten Temperaturen erzeugt die Fusion nach neuen Daten bei dieser Reaktion mehr Energie als verloren geht! Es ist interessant zu sehen, wie Physiklehrbücher übereinstimmen.


pB11 ().


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Die Entfernung, die Tri Alpha zurücklegen muss, ist jedoch immer noch sehr groß - selbst wenn die Skalierung genau ist, muss die Retentionsqualität um das Hundertfache erhöht werden - der Magnetfelddruck, die Leistung und die Betriebszeit von NBI und allen anderen Systemen. Das TAE-Team könnte mit einem typischen Problem von Fusionsanlagen konfrontiert sein - sie werden zu groß, komplex und bewegen sich auf dem Weg zu kommerziellen Reaktoren zu langsam. In Bezug auf die Zahlen muss ich sagen, dass der FRC-Temperaturrekord jetzt etwas weniger als tausend eV beträgt und notwendig ist - 320.000 eV. Die Energieretentionszeit beträgt einige Millisekunden und dauert einige zehn Sekunden. Die Dichte bleibt auch mindestens zehnmal hinter den in einer Industrieanlage erforderlichen Parametern zurück. Ein Teil davon kann einfach durch Erhöhen der Größe und Leistung des Reaktors überwunden werden.Ein Teil muss jedoch qualitativ gesteigert werden - Verbesserung der Reinheit des Plasmas, der Effizienz der Trägersysteme und Suche nach neuen, erfolgreicheren Plasma-Betriebsarten.


Eine weitere Arbeit des Künstlers zum Thema des möglichen Auftretens zukünftiger TAE-Autos.


Das Bild mit einem Sternchen - verschiedene Versionen der ersten thermonuklearen Maschine Tri Alpha - mit besserer und schlechterer Begrenzung. Die FRC-Verweilzeit beträgt 7 bis 30 Sekunden (keine Millisekunden!). Sie benötigen FRC-Kraftstoffversorgungssysteme, die die Heliumasche „abpumpen“, die den Feuerraum verstopft. Die neuen Megavolt-Neutralstrahlinjektoren werden jetzt im Novosibirsk INP entwickelt, und ein bisschen Glück Das Plasma hat die nächsten vierzig nicht weggeworfen.

Tri Alpha plant, diesen Weg (zum Prototyp des Kraftwerks) in 5 Installationen und etwa 15 Jahren zu gehen, und erhielt von verschiedenen Investoren für diese Arbeit etwa eine halbe Milliarde Dollar .


Foto aus dem Inneren der bereits zerlegten C-2U-Installation. Übrigens hat sich der Mitarbeiter nicht so angezogen, damit jeder seine Kühle versteht, aber keine organischen Stoffe an den Innenwänden der Kammer zurücklässt - das Plasma ist äußerst empfindlich gegenüber der Qualität von Vakuum und Verschmutzung, und ein Haar in einer Vakuumkammer erlaubt möglicherweise kein Experiment.

Aber ich habe nicht umsonst über Psychologie gesprochen. Während das TAE-Team zuversichtlich durch die Augen der Anleger frisst, sprechen andere Spezialisten, die sich wiederholt bescheidener mit Prognosen verbrannt haben, über die aktuellen Aussichten für thermonukleare Energie. Neueste theoretische Ideen am Institut für Kernphysik. Budkers in Nowosibirsk können, wenn sie im Experiment bestätigt werden, die Herstellung eines thermonuklearen Reaktors erheblich vereinfachen und dessen Größe und Komplexität um ein Vielfaches reduzieren.

Bevor ich darüber erzähle, möchte ich noch einmal auf einen interessanten Punkt eingehen. Stellen Sie sich vor, Sie geben seit vielen Jahrzehnten Geld für Kernphysiker im Rahmen der festen Pläne eines „Kraftwerks in 20 Jahren“, und jedes Mal, wenn sie sagen: „Plasma hat sich als komplizierter herausgestellt, als wir dachten, brauchen wir weitere 20 Jahre.“ Und dann kommen sie und sagen: "Das Plasma hat sich als komplizierter herausgestellt, als wir dachten. Wir hatten also eine einfache und billige Lösung, aber wir brauchen 20 Jahre." Was wirst du ihnen antworten? :) :)

Wir sprechen also über zwei bisher theoretische, mögliche Ideen - "diamagnetische Blase" und "Plasmapumpen durch ein helikales Magnetfeld". Die erste besteht darin, eine „Blase“ aus dem Plasma in einer offenen Falle aufzublasen, wodurch die Menge des Plasmas und sein Druck wesentlich erhöht werden - die ideale Bewegungsrichtung, wenn wir den Energieverlust eines thermonuklearen Plasmas reduzieren möchten. Es scheint, dass eine triviale Idee mehrere knifflige Merkmale enthält, deren Verständnis in den letzten Jahrzehnten aufgetaucht ist. Eine solche Blase kann die Größe eines Kernreaktors in einer offenen Falle um einen Faktor von ~ 10 verringern. Eine experimentelle Überprüfung dieser Idee wird in den nächsten Jahren erwartet.


Eine "Blase" ist wirklich eine Blase. Die anfängliche Plasmakontur in der GDL-Falle wird durch eine blaue Linie gezeichnet.


Ein schematischer Ausschnitt einer offenen GDL-Falle, auf deren Grundlage die Idee einer „Blase“ entstand und auf den eine signifikante Verringerung der Größe eines Energiereaktors anwendbar ist, wenn diese Idee funktioniert.

Da reden wir über offene Fallen- Ich erinnere Sie daran, dass diese einfachste Version einer thermonuklearen Anlage zu dieser Zeit aufgrund von zwei Hauptproblemen „nicht ging“ - Instabilitäten, mit denen man erst im 21. Jahrhundert umgehen konnte, als das Interesse an Fallen größtenteils verloren ging, und große longitudinale Wärmeleitfähigkeit (d. Austreten von Wärme aus dem Plasma durch die Löcher am Ende der zylindrischen Installation - dann ist es eine offene Falle). Das zweite Problem ist bis zum heutigen Ende nicht gelöst. Statt Deuterium oder Bor muss also Kohle verbrannt werden. "Plasmapumpen durch ein helikales Magnetfeld" ist also ein Prototyp eines Magnetsystems, das an den offenen Enden der Falle installiert ist und das Plasma aufgrund der Wechselwirkung eines helikalen Magnetfelds mit einem um die Achse fliegenden Plasma zurückpumpt.Die Effizienz bei der Unterdrückung der longitudinalen Wärmeleitfähigkeit eines solchen Systems kann sich als unglaublich hoch herausstellen, nachdem das verbleibende Grundproblem von OL gelöst wurde.


Schematische Darstellung der Harzinstallation - links eine Plasmakanone, in der Mitte ein spiralförmiges Magnetsystem, links ein Tankexpander mit einem segmentierten Elektron, das im Plasma einen elektrischen Gradienten erzeugt, der es verdreht. Das Schraubensystem kann "entlang" und "gegen" das Plasma eingeschaltet werden.

Das Interessanteste ist, dass die RESOL-Installation zur Überprüfung der „Schraubenretention“ bereits auf INP geht und möglicherweise im Frühjahr 2017 die ersten Ergebnisse angezeigt werden. Noch einmal - 50 Jahre lang erlaubte dieses Problem nicht, einen thermonuklearen Reaktor zu bauen, der auf einer offenen Falle basiert (fairerweise - zusammen mit anderen physikalischen Problemen und der Masse der Technik, die noch auf uns wartet), und konnte nächstes Jahr in einem eher routinemäßigen physikalischen Experiment geschlossen werden.


Ein Artikel aus dem Jahr 1958 über einen "Stellarator, der einen bedeutenden Sprung bei der Erzeugung nutzbarer Energie aus kontrollierter Kernfusion verspricht".

Zusammenfassend werde ich mich noch einmal an die Psychologie erinnern. In den letzten 30 Jahren haben sich die Menschen an die Idee gewöhnt, dass Fusionsenergie zumindest wirtschaftlich nicht gerechtfertigt und möglicherweise aus technischen oder physikalischen Gründen direkt verboten ist. Wir haben uns an diese Zeit gewöhnt, als die Erfolge der Physiker auf diesem Weg halbherzig waren und die vorgeschlagenen Konstruktionen von Kernreaktoren nicht realisierbar waren. Jetzt treten wir vielleicht in die nächste Ära ein, in der wir uns von der Tatsache entwöhnen müssen, dass Fusionskraftwerke unmöglich sind. Wenn abgelehnte Ideen von vor 40 oder sogar 60 Jahren mit einem neuen Verständnis von Plasma und technischen Fähigkeiten (zum Beispiel Supraleiter oder digitale Steuerungssysteme) plötzlich grünes Licht geben.

Source: https://habr.com/ru/post/de397025/