Tri Alpha Plasma Vortex Fusion Reactor

Como saben, la reacción termonuclear de la mezcla de deuterio-tritio continuará incluso a temperatura ambiente, muy lentamente para ser de interés. Para lograr la liberación de energía industrial (1-10 megavatios por metro cúbico), es necesario crear condiciones para el confinamiento de plasma con una temperatura de 100-200 millones de grados y una densidad de 1 ... 2 * 10 ^ 20 partículas por metro cúbico. En torno a estos parámetros, el sistema comienza a autoequilibrarse (en tokamaks): la liberación de energía se compara con las fugas y el costo de calentar nuevas porciones de combustible. Estos números extremos son una zona de interés para todos los desarrolladores de reactores termonucleares, y su logro es la tarea de muchas décadas de desarrollar el concepto de fusión termonuclear controlada (TCF).


Trampa abierta GDL — . . .


Como escribí en el programa educativo sobre física de tokamak , el principal problema de tal plasma es la fuga de calor de él. Tratan de resolver este problema de dos maneras: creando trampas magnéticas de gran volumen (la principal de las cuales es ITER), en las que el calentamiento externo e interno es igual al enfriamiento en instalaciones pulsadas, donde el plasma comprimido a parámetros termonucleares arde tan violentamente que libera suficiente energía termonuclear para esos milisegundos que se enfrían. Sin embargo, para tal régimen, el plasma debe calentarse aún más y comprimirse aún más (aunque sea brevemente) que en trampas magnéticas permanentes. El progreso en este camino es aún más triste que con los tokamaks debido a la inestabilidad fundamental del plasma, que, cuando se comprime, "se desliza" fuera del campo compresivo y se disipa, perdiendo temperatura y densidad.


Por ejemplo, una de las opciones más avanzadas para un TCB pulsado es MagLIF .

En los intentos de seguir este camino, los investigadores en los años 70 llamaron la atención sobre los vórtices de plasma, llamados FRC (configuraciones invertidas de campo), similares en estructura a los anillos de humo de tabaco.


Vórtice de plasma FRC con un campo poloidal magnético congelado (azul), "espontáneo" en un campo magnético longitudinal (verde).

Resultó ser formaciones estables y de larga duración. Son fáciles de administrar: acelerar, comprimir, fusionar y separar. Además, tenían una ventaja extremadamente importante: la presión de su propio campo magnético congelado estaba cerca de la presión del plasma, es decir. El diseño era adecuado para lograr fácilmente parámetros de alta temperatura y presión. Ahora, junto con la formación de plasma Z-pinch autocontraíble más simple, son invitados frecuentes en las ideas de los reactores termonucleares pulsados ​​... Donde cualquier otra formación de plasma fue destruida por inestabilidades o simplemente dispersada en el espacio durante la compresión, FRC prometió beneficios tangibles.


El FRC se puede encontrar en muchos reactores. Por ejemplo, en el gasto de revestimiento de plasma del Laboratorio Nacional de Los Alamos.

En 1997, los Estados Unidos propusieron el concepto de Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), un circuito pulsado donde dos vórtices de plasma dispersos de tipo FRC colisionaron y se comprimieron en el centro de la máquina por un campo magnético pulsado, formando un plasma de suficiente densidad y temperatura para encender la reacción termonuclear. Al mismo tiempo, el uso de FRC garantizó que este plasma sobreviviría bajo las condiciones de una combustión de reacción termonuclear suficiente para que la energía de fusión asignada sea suficiente para la operación rentable de la planta de energía, incluidos los costos de operar el CBFR. Por supuesto, si el concepto y los cálculos de los autores fueran completamente correctos.


Entonces, en los años 90, dibujaron un generador de 100 megavatios basado en dos reactores de pulso CBFR de 50 megavatios.


CBFR: 2 FRC . .

Basado en este concepto, varias startups desarrollaron de inmediato la idea de CBFR. Más exitosos en términos de recaudación de fondos fueron Helion Energy y Tri Aplha Energy. Los primeros están tratando de hacer un reactor basado en la reacción D + He3, declarando que obtienen una temperatura de 5 kV, un campo de 100 T y una vida útil de 1 ms en su prototipo. Se desconoce su densidad plasmática, pero suponiendo que 10 ^ 20 partículas por metro cúbico son frecuentes para tales experimentos, es 100 veces peor que el punto de equilibrio (producción de energía igual al costo de calentamiento y compresión, sin tener en cuenta el costo de la instalación) para la reacción D + T, y aproximadamente 50,000 veces peor de lo necesario para un reactor en funcionamiento. Sin embargo, el equipo en el que parecen haber alcanzado estos valores hace dudar de las cifras reclamadas.


Instalación de laboratorio Helion.

Sin embargo, sus competidores Tri Alpha (fundado por los desarrolladores del concepto CBFR Norman Rostoker y Hendrik Monkhorst) tienen grandes ambiciones: utilizar la reacción p + B más compleja para la energía termonuclear y un reactor más grande para implementar estas ideas y 150 empleados.


En la sala de control del prototipo del reactor Tri Alpha.

La ventaja de la reacción elegida es la ausencia de neutrones que activan el reactor y lo convierten en un objeto nuclear, y suministros ilimitados de fuentes (a diferencia del litio para la reacción D + T o el helio-3 realmente ausente en el suelo para He3 + D). La desventaja es mucho más (60 veces) las duras condiciones de combustión del plasma y los grandes problemas con la radiación gamma espuria.


Conceptualmente, TAE usa el mismo reactor que Helion, solo 10 veces más.


Estado actual de instalación. Los inyectores de pulso de partículas neutras son visibles (barriles grises alrededor del reactor).

Los californianos Tri Alpha ya han recaudado más de $ 100 millones en inversiones (¡incluso de RUSNANO (!), Entonces A. Chubais es uno de los miembros de la junta directiva de la compañía, y la compañía hace pedidos de equipos en Rusia), lo que les permitió usar mucho más grande que la escala de laboratorio. El prototipo de 23 metros del reactor "C2" es algo similar a las trampas de INP abiertas (como en la primera foto): un tubo envuelto en un conjunto de solenoides en los bordes se genera en vórtices FRC y acelera a 250 km / s en el centro.


Dentro de la cámara central C2.

En general, esta es una instalación bastante avanzada que utiliza captadores de titanio para producir inyectores neutros de megavatios pulsados ​​de ultra alto vacío ( producidos por el INP de Novosibirsk ) que crean los perfiles de densidad de iones necesarios en el reactor, electrodos pulsados ​​de cuadrupolo para combatir inestabilidades cinéticas y muchos instrumentos para diagnosticar la física de los fenómenos que ocurren.


Un conjunto de herramientas de diagnóstico en la instalación C2.

Por lo tanto, la instalación se acerca a los tokamaks avanzados de finales de los 70 en términos de complejidad y tareas, sin embargo, en contraste con la gran ciencia (parcialmente militar) financiada por el estado, estas son manos completamente privadas.


Primer plano de inyectores neutros de pulso Novosibirsk.

En 2015, Tri Alpha anunció que en los últimos años han logrado aumentar el tiempo de confinamiento de plasma en 10 veces (hasta 5 ms), el tiempo limitado por la longitud del pulso del sistema NBI y ahora ven un camino claro para instalar un "C3" a gran escala, que estará terminado en 2017. Se planea alcanzar un nivel suficiente para el punto de equilibrio D + T (teórico, ya que la instalación funcionará solo en deuterio, sin el uso de tritio) con una temperatura de plasma de 100 millones de grados (10 kev) y un tiempo de retención de 1 segundo. Hasta la fecha, este nivel se ha logrado en dos tokamaks: el JET europeo y el JT-60U japonés, sin embargo, ambos proyectos cuestan al menos mil millones de dólares y fueron creados por los esfuerzos conjuntos de varios estados


Tokamak JT-60SA durante el desmontaje. Curiosamente, las columnas grises de la izquierda también son inyectores de haz neutro, como en C2.

Otros planes de TAE no son bien conocidos. A la compañía no le gusta la publicidad en absoluto (ni siquiera tiene un sitio web). Como en el caso de los reactores de trampa abierta, está previsto en el futuro extraer energía por conversión directa, para ralentizar iones y electrones y cortocircuitarlos en los polos de un dispositivo especial. La eficiencia y especialmente el precio de dicho método son muchas veces mejores que los convertidores de generación de turbinas térmicas tradicionales. Hay propuestas para el uso de máquinas como motores a reacción para naves espaciales (hola Wiverjet!). Hasta ahora, se puede decir que de todos los conceptos alternativos, este es uno de los más prometedores, pero el cementerio gigante de conceptos prometedores de reactores termonucleares existentes hoy en día obliga a esta startup con una cierta dosis de escepticismo. Bueno, en unos pocos años, veremos el nacimiento de la energía termonuclear (también le recordaré al General Fusion ), u otra puesta de sol sin gloria de otra prometedora startup.

Source: https://habr.com/ru/post/es384089/