Thermonukleares Startup Tokamak

Eine beliebte Website über Atomnachrichten World Nuclear News schreibt über den Start (erstes Plasma) des ST40-Tokamak, der dem privaten englischen Unternehmen Tokamak Energy gehört. Die Nachrichten sind sehr interessant, besonders wenn Sie den Kontext kennen, den ich versuchen und präsentieren werde.


Gründer von Tokamak Energy Alan Sykes in der Nähe von ST-40 im Maßstab 1: 1.

Tokamak Energy (TE) wurde 2009 gegründet (neben dem größten JET-Tokamak der Welt heute) und erhielt seit 2012 Mittel (heute hat das Startup 35 Millionen US-Dollar gesammelt) für den Bau einer Reihe von Tokamaks, die zu einem Energiereaktor führen. Vor dem Hintergrund eines ITER im Wert von über 20 Milliarden US-Dollar, der nicht zu einem Energiereaktor führt, sieht es seltsam aus? Lass es uns richtig machen.

Das Hauptproblem der Kernfusion besteht nicht darin, eine Kernreaktion zu erhalten, sondern dass der Reaktor, in dem wir sie durchführen, eine angemessene Größe haben sollte. Fast jedes Konzept der Fusion funktioniert, wenn Sie die Größe des Reaktors auf Kilometer und die Leistung auf Terawatt erhöhen. Solche Konstruktionen sind jedoch im wirklichen Leben nicht anwendbar. Die Essenz der Arbeit von Plasmisten bei der Suche nach solchen Konfigurationen und Größen von thermonuklearem Plasma, bei denen seine Größe minimal sein wird, mit einer vernünftigen Komplikation des Reaktordesigns (zum Beispiel Heizsysteme).


Video von Tokamak Energy über das "erste Plasma" ST40. Im Rahmen - einer Tokamak-Vakuumkammer mit einem Heizsystem zum Brennen - gibt es kein Magnetsystem. Ein wunderschönes grünes Leuchten - eine Glimmentladung zum Reinigen der Wände der Kammer, die nicht direkt mit thermonuklearem Plasma zusammenhängt

Sphärische Tokamaks ermöglichen es Ihnen lediglich, bei gleicher thermonuklearer Leistung einen Schritt in Bezug auf die Größe des Plasmakabels zu machen, was die Kosten des Reaktors formal senkt. Die theoretische Grundlage hierfür wurde seit 1986 (als der erste Artikel veröffentlicht wurde) verstanden und in den 90er Jahren experimentell bestätigt. Ich habe mehr darüber in einem Beitrag über einen neuen russischen Tokamak geschrieben , der ebenfalls sphärisch ist.


Montage der Vakuumkammer ST40. In ITER würde es beispielsweise nur nach einem Behälter zur Speicherung von Brauchwasser aussehen, nicht mehr :).

Tatsächlich versucht Tokamak Energy vor zwanzig Jahren, diese Entdeckung von Plasmisten zu kommerzialisieren. Auf dem Weg dorthin gibt es viele technische Schwierigkeiten, von denen einige unüberwindbar erscheinen oder auf jeden Fall nicht zu einem vernünftigen Preis überwunden werden können. Aus diesem Grund sind die Nachrichten über die Weiterentwicklung von TE gemischt. Es ist klar, dass all diese Erfolge irgendwann enden werden.

Derzeit gehören zu den Ressourcen von TE die Einführung eines sehr kleinen Tokamak (tatsächlich Desktop) ST-25 und die anschließende Umwandlung in Hochtemperatursupraleiter mit einem Rekord für das Halten von Plasma in einem Tokamak für 29 Stunden (wahr, Plasma, sehr niedrig für thermonukleare Temperatur- und Dichteeinstellungen). ) Der nächste Tokamak, der am 28. April gestartet wurde, ist bereits viel ernster. So ernst, dass Sie glauben, dass unüberwindbare technische Schwierigkeiten überwunden werden können.


Das Design des Tokamaks wird in Zukunft in ein großes Vakuumgefäß zur Wärmedämmung - einen Kryostaten - eingetaucht. Im Inneren befindet sich ein Kupfermagnetsystem aus Ring- und Poloidspulen, in dem sich eine Tokamak-Vakuumkammer befindet. Ein wichtiges technisches Merkmal sind die Zusammenführungs-Kompressionsspulen, die das Problem des unzureichenden Volumens in der zentralen Säule für den zentralen Magneten lösen.

Also ST40. Dies ist eine reine Forschungsmaschine, die zu einer der Zwischenstufen auf dem Weg zum Energieprototyp ST185 werden soll (der nach dem Plan von 2025 gebaut wird, an dem am Ende sehr ernsthafte Zweifel bestehen). Ein kugelförmiger Tokamak mit einem Plasmakabelradius von nur 40 cm, eine Vakuumkammer von 1,5 x 2,2 Metern Größe - eine Krume vor dem Hintergrund ernsthafter Autos. Nach vollständiger Fertigstellung sollte es Plasmaparameter mit Q = 1 ... 2 erreichen (und dementsprechend eine Temperatur von 10 keV, ebenfalls ein Rekord für solch kleine Größen), wobei Q das Verhältnis von Kernkraft zu Erwärmung ist. Ich möchte Sie daran erinnern, dass heute der Q = 1,2-Datensatz für den JT-60U-Tokamak mit einem Plasmavolumen zehnmal größer ist und sich in der Nähe des ST40 JET befindet, ebenfalls mit einem 40-mal größeren Plasmavolumen, nur Q = 0,7 auf einmal erreicht. Wenn die berechneten Parameter von ST40 bestätigt werden, ist dies ein unglaublicher Durchbruch für Tokamaks.


Simulation der Neutronenausbeute ST40 für DT-Plasma mit verschiedenen Methoden. Eine Neuberechnung aus den Parametern eines anderen kugelförmigen Tokamak-MAST ergibt etwa 3 Megawatt thermonukleare Leistung bei 2 Megawatt Erwärmung, d.h. Q ~ 1,5 kann das Ergebnis jedoch schlechter sein.

Was unterscheidet den ST40 genau von seinen Vorgängern? Dies ist ein sphärischer Tokamak mit einem ausreichend starken Feld von 3 Tesla (es sollte beachtet werden, dass es ein Rekord unter sphärischen Tokamaks ist), der optimiert wurde, um ein hohes Q zu erhalten. Das hohe Feld ist eine Leistung für sich. Das Problem bei sphärischen Tokamaks besteht darin, dass die Physik eine zentrale Säule mit einem möglichst kleinen Durchmesser benötigt (um die Plasmaform so nah wie möglich an die Kugel heranzuführen), dh die minimale Fläche für die inneren Bögen der Ringspulen und des zentralen Solenoids. Der Strom von Ringspulen bestimmt die Stärke des Feldes, obwohl die Stromdichte nicht höher sein kann als bestimmte Parameter, die für Kupfer und für ein supraleitendes System gelten. Der zentrale Magnet wird wiederum für das primäre Pumpen von Plasmaenergie benötigt, und seine Größe ist auch von unten ziemlich streng begrenzt.



Kupferleiter von Ringfeldspulen und einer zentralen Säule. 24 D-förmige Windungen, gruppiert in 3 (unteres Foto links) in der ersten Phase während des Starts für 1 ... 10 Sekunden, leiten einen Strom von etwa 100 kA

Es stellt sich heraus, dass technische Einschränkungen entweder ein niedriges Feld in einem sphärischen Tokamak vorschreiben ... oder eine Ablehnung des Standardansatzes für den Start. ST40 verwendet eine neue Methode zum Starten der Plasmaerwärmung und der Ringstromerzeugung - Komprimierung und Wiederverbindung von Magnetleitungen. Dieses Phänomen ist für Sonneneruptionen verantwortlich und kann das Plasma sehr gut erwärmen. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes ist nicht klar, und dies ist die erste Aufgabe von ST40 - es wird gelernt, wie ein Plasmastrom ohne Verwendung eines zentralen Solenoids gestartet wird (der kleine Gleichstrom im ST40-Design bleibt während des Startvorgangs erhalten, um ein flaches Stromprofil aufrechtzuerhalten, aber sein Volumen ist etwa zehnmal geringer als beim klassischen Schema).


Die magnetische Wiederverbindung ist ein Phänomen der Rekonfiguration eines Magnetfelds, wenn zwei Feldröhren mit entgegengesetzten Richtungen kurzschließen und verschwinden und dabei Energie freisetzen. Im Bild sind dies die äußeren Röhren der "Zufluss" -Domänen, und die Energie wird in Richtung der vertikalen Pfeile freigesetzt.


Die zweite technische Lösung, um die Grenzen zu durchbrechen, ist die Verwendung eines Kupfersystems, das auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff gekühlt ist. Dies reduziert den Widerstand von Kupfer um das 20- bis 30-fache und ermöglicht es Ihnen, die Stromdichte um das Zehnfache zu erhöhen. Der Trick, mit dem der kleine ST40 große teure Maschinen in Bezug auf Q und thermonukleare Leistung einholen kann, ist eine Sackgasse - diese Lösung ermöglicht nicht den Wechsel zu einem Tokamak, der länger als 10 Sekunden funktioniert. TE beruht hier auf Hochtemperatursupraleitung, jedoch ist die erforderliche technische Dichte in der zentralen Stromsäule (mindestens 100 Ampere pro Quadratmillimeter) angesichts des Volumens, das durch elektrische und thermische Isolierung, Neutronenschutz, Strukturkomponente usw. eingenommen wird, ziemlich schwierig zu erreichen. Beispielsweise beträgt bei ITER-Ringmagneten die technische Stromdichte nur 11 A / mm ^ 2. Dies ist eines der schwierigsten Hindernisse für sphärische Tokamaks, und wie Tokamak Energy es lösen wird, ist unbekannt.


Ring zur Sicherung der Kompressions-Wiederverbindungsspulen in der ST40-Vakuumkammer. Die Ingenieure von Tokamak Energy hatten bereits ein Problem aus der Welt der thermonuklearen Magnete - große deformierende Teichmotorkräfte, aber für den Energieprototyp werden diese Kräfte um eine Größenordnung zunehmen.

Wie gesagt, dieses Projekt ruft gemischte Gefühle hervor. Eine davon ist die bedingungslose Überraschung und sogar die Begeisterung für die Parameter einer winzigen thermonuklearen Anlage, die theoretisch die schwerwiegendsten Tokamaks mit einer staatlichen Finanzierung von Hunderten von Millionen Dollar in einen Gürtel steckt. Das zweite Gefühl ist Enttäuschung von der Realität.

In Wirklichkeit ist der ST40 „Launch“ nur ein Satz von Vakuum und Reinigung der Innenflächen durch eine Glimmentladung in Lithiumplasma (schöne grüne Farbe). Das Magnetsystem wurde selbst in der einfachsten Konfiguration noch nicht zusammengebaut und in einer Vakuumkammer montiert, obwohl dies nach den Plänen vor einem Jahr zum Jahreswechsel 16/17 hätte geschehen sollen. Bevor die Aufzeichnungen die JET- und JT-60U-Riemen schließen, muss die Installation noch einige ernsthafte Upgrades durchlaufen (Installation eines Kryostaten um den Tokamak, Schaffung eines Kühlsystems für Flüssigstickstoff für Magnete, Aufrüstung des Stromversorgungssystems für Magnete auf das Zehnfache der gespeicherten Energiemenge, Installation von Neutralstrahlinjektoren usw. .) - Bei einem solchen Arbeitstempo können sich nur diese Aufgaben bis 2025 hinziehen.


Obwohl die Vakuumkammer ST40 kein so einfaches Produkt ist, ist ihre Komplexität viel geringer als die der gesamten Installation, ganz zu schweigen von dem nachfolgenden supraleitenden "ST *". Die TE-Ingenieure stehen also erst am Anfang.

Die „thermonukleare Leistung“, die wir im Fall von ST40 bei Q diskutieren, wird ebenfalls leicht virtuell sein und vom Neutronenausgang des DD-Plasmas (mit dem ST40 tatsächlich arbeiten wird) in DT umgewandelt (diese Umwandlung von der Neutronenleistung erfolgt jedoch ziemlich eindeutig). . Dies liegt an der Tatsache, dass die Arbeit mit Tritium eine völlig andere Installationsklasse bedeutet, die über viele Jahre hinweg eine Lizenz von einem Atomregler erhalten hat und höchstwahrscheinlich mit dem Bau eines speziellen Gebäudekomplexes. Vielleicht führt TE diese Arbeiten bereits durch, um weitere Nuklearlizenzen zu erhalten, wenn nicht dafür, dann für das nächste Auto, aber bisher wird dies in keiner Weise beworben, es ist in den technischen Lösungen und Plänen der Kampagne nicht sichtbar. Die nukleare Komponente von Tokamaks ist nämlich eine Art Everest, auf den nur sehr wenige Projekte klettern können - sie ist sehr schwierig, sehr teuer und unsicher. Die Kernkomponente bestimmt letztendlich die Kosten und das technische Erscheinungsbild des Kraftwerks. „Vergessen“ bedeutet, etwa 50% der Komplexität und Komplexität zu vergessen.

Diese Gedanken führen uns reibungslos zu der Frage, auf die ich keine Antwort habe - wer und warum investiert heute in Fusions-Startups auf der ganzen Welt? In den letzten zehn Jahren gab es einen deutlichen Boom solcher Projekte - Tokamak Energy, Tri Alpha Energy , General Fusion , Helion Energy und andere - , obwohl der Strommarkt deprimiert ist und der Bau neuer Kraftwerke jeglicher Art ohne Subventionen mit Ausnahme der Entwicklungsländer unrentabel ist. Wenn Tri Alpha die Idee entwickelt, eine neutronenfreie Fusion zu installieren, für die möglicherweise keine Lizenz erforderlich ist, und General Fusion hofft, dass die Idee einer „Low-Tech“ -Fusion funktioniert, ist es für mehr oder weniger traditionelle Systeme schwer vorstellbar, wie Sie dafür bezahlen können - auf die gleiche Weise Wie schwer ist es, sich die Amortisation eines „Kernreaktors in jedem Haus“ vorzustellen, trotz der technischen Machbarkeit einer solchen Anlage.

Entweder befinden sich Investoren noch im Paradigma der 60er ... 70er Jahre, oder sie hoffen auf neue Märkte (z. B. den Ersatz von Kohlekraftwerken, um die CO2-Emissionen zu reduzieren), oder die Risikopsychologie investiert umfassend in Projekte Märkte (und der Strommarkt ist immer noch einer der größten). Es bleibt jedoch die Tatsache, dass es in der modernen Welt Geld gibt, mit dem Sie viele "senkrechte" Ideen in Eisen überprüfen können, und vielleicht liefert eine davon die erste thermonukleare Energie, noch bevor ITER die volle Kapazität erreicht.

PS Wir haben Fotos aus dem Tokamak Energy-Instagram verwendet , einem Artikel über die technischen und physikalischen Grundlagen von ST40 und die physikalische „Philosophie“ der Auswahl einer Tokamak-Größe .