Revolución termonuclear tranquila

Probablemente no haya un solo campo de actividad humana tan lleno de decepciones y héroes rechazados como intentos de crear energía termonuclear. Cientos de conceptos de reactores, docenas de equipos que se han convertido constantemente en los favoritos de los presupuestos públicos y estatales, y finalmente decidieron el ganador en forma de tokamaks. Y aquí nuevamente, los logros de los científicos de Novosibirsk reavivan el interés en todo el mundo en un concepto brutalmente pisoteado en los años 80. Y ahora con más detalle.


Trampa abierta GDL con resultados impresionantes

Entre toda la variedad de propuestas, la forma de extraer energía de la fusión termonuclear está más orientada hacia el confinamiento estacionario de un plasma termonuclear relativamente suelto. Por ejemplo, el proyecto ITER y, más ampliamente, trampas toroidales tokamaki y stellarators, desde aquí. Son toroidales porque es la forma más simple de un recipiente cerrado de campos magnéticos (debido al teorema de peinado erizono se puede hacer un vaso esférico). Sin embargo, al comienzo de la investigación en el campo de la fusión termonuclear controlada, los favoritos no eran trampas de geometría tridimensional compleja, sino intentos de mantener el plasma en las llamadas trampas abiertas. Por lo general, estos también son vasos magnéticos de forma cilíndrica en los que el plasma está bien retenido en la dirección radial y fluye desde ambos extremos. La idea de los inventores es simple aquí: si el calentamiento de un nuevo plasma por una reacción termonuclear se lleva a cabo más rápido que el flujo de calor desde los extremos, entonces Dios lo bendiga, con la apertura de nuestro recipiente, se generará la energía y la fuga seguirá ocurriendo en un recipiente de vacío y el combustible se producirá. camine en el reactor hasta que se queme.


La idea de una trampa abierta es un cilindro magnético con corchos / espejos en los extremos y expansores detrás de ellos.

Además, en todas las trampas abiertas, se utiliza uno u otro método para evitar que el plasma escape por los extremos, y lo más simple aquí es aumentar drásticamente el campo magnético en los extremos (coloque "tapones" magnéticos en la terminología rusa o "espejos" en el occidental), mientras que las partículas cargadas incidentes, de hecho, brotarán de los espejos del espejo y solo una pequeña fracción del plasma pasará a través de ellas y caerá en expansores especiales.


Y una representación un poco menos esquemática de la heroína de hoy: se agrega una cámara de vacío en la que vuela el plasma y todos los demás equipos.

El primer experimento con una trampa "espejo" o "abierta": el Q-pepino se puso en 1955 en el Laboratorio Nacional Americano Lawrence Livermore. Durante muchos años, este laboratorio se ha convertido en un líder en el desarrollo del concepto de TCB basado en trampas abiertas (OL).


El primer experimento del mundo: una trampa abierta con espejos magnéticos Q-pepino

En comparación con competidores cerrados, las ventajas de OL se pueden escribir en una geometría mucho más simple del reactor y su sistema magnético, lo que significa un bajo costo. Entonces, después de la caída del primer favorito de los reactores TCB-Z-pinch, las trampas abiertas reciben la máxima prioridad y financiación a principios de los años 60, ya que prometen una solución rápida por poco dinero.


Principios de los 60, trampa de mesa

Sin embargo, el mismo Z-pinch no renunció por casualidad. Su funeral se asoció con la manifestación de la naturaleza del plasma: inestabilidades que destruyeron las formaciones de plasma al intentar comprimir el plasma con un campo magnético. Y esta característica particular, poco estudiada hace 50 años, inmediatamente comenzó a interferir molestamente con los experimentadores de trampa abierta. Las inestabilidades de la flauta hacen que el sistema magnético sea más complicado al introducir, además de solenoides redondos simples, "palos Joffe", "trampas de béisbol" y "bobinas yin-yang" y reducen la relación entre la presión del campo magnético y la presión del plasma (parámetro β).


Trampas magnéticas superconductoras de "Béisbol" Béisbol II, mediados de los 70

Además, la fuga de plasma procede de manera diferente para las partículas con diferentes energías, lo que conduce al no equilibrio de plasma (es decir, el espectro de velocidad de partículas no Maxwellianas), lo que provoca una serie de inestabilidades desagradables. Estas inestabilidades, a su vez, "balanceando" el plasma aceleran su escape a través de las células del espejo final. A finales de los años 60, las versiones simples de trampas abiertas alcanzaron el límite de temperatura y densidad del plasma que se retiene, y estos números fueron mucho menores que los necesarios para una reacción termonuclear. El problema se debió principalmente al rápido enfriamiento longitudinal de los electrones, que luego perdieron energía e iones. Se necesitaban nuevas ideas.


Trampa ambipolar exitosa TMX-U

Los físicos están proponiendo nuevas soluciones, principalmente relacionadas con la mejora del confinamiento longitudinal del plasma: confinamiento ambipolar, trampas corrugadas y trampas dinámicas de gas.

• El confinamiento ambipolar se basa en el hecho de que los electrones “se escapan” de una trampa abierta 28 veces más rápido que los iones de deuterio y tritio, y surge una diferencia de potencial en los extremos de la trampa, positiva de los iones adentro y negativa afuera. Si la amplificación de un campo con un plasma denso se realiza al final de la configuración, entonces el potencial ambipolar en un plasma denso evitará que se dispersen los contenidos internos menos densos.
• Las trampas corrugadas crean un campo magnético "acanalado" al final, donde los iones pesados ​​se separan debido a la "fricción" contra los campos de trampa encerrados en "canales".
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Curiosamente, todos estos conceptos por los cuales se construyeron instalaciones experimentales requirieron una mayor complicación de la ingeniería de trampa abierta. En primer lugar, aquí, por primera vez en el TCB, aparecen aceleradores complejos de haz de neutrones que calientan el plasma (en las primeras instalaciones, el calentamiento se logró mediante una descarga eléctrica convencional) y modulan su densidad en la instalación. Se agrega el calentamiento por radiofrecuencia, que apareció por primera vez a principios de los años 60/70 en tokamaks. Se están construyendo unidades Gamma-10 grandes y caras en Japón, TMX en los EE. UU., AMBAL-M, GOL y GDL en el INP de Novosibirsk.


El sistema magnético Gamma-10 y el diagrama de calentamiento por plasma ilustran bien qué tan lejos han pasado de las soluciones OL simples a los años 80.

Paralelamente, en 1975, en la trampa 2X-IIB, los investigadores estadounidenses fueron los primeros en el mundo en alcanzar una temperatura de iones simbólica de 10 kV, que es óptima para la quema termonuclear de deuterio y tritio. Cabe señalar que en los años 60 y 70 estuvieron bajo el signo de una búsqueda de la temperatura deseada de cualquier manera, porque la temperatura determina si el reactor funcionará, mientras que los otros dos parámetros, la densidad y la tasa de fuga de energía del plasma (o más a menudo esto se llama "tiempo de retención") se pueden compensar aumentando el tamaño del reactor. Sin embargo, a pesar del logro simbólico, 2X-IIB estaba muy lejos de lo que se llamaría un reactor: la potencia teórica asignada sería del 0,1% del plasma gastado en la retención y el calentamiento. Un problema grave seguía siendo la baja temperatura de los electrones, del orden de 90 eV en un contexto de 10 iones kev, asociado conde una forma u otra, los electrones se enfriaron contra las paredes de la cámara de vacío en la que se encuentra la trampa.


Elementos de la trampa ambipolar ahora desaparecida AMBAL-M

A principios de los años 80, hubo un pico en el desarrollo de esta rama de la TCB. El pico de desarrollo es el proyecto MFTF de EE. UU. Con un valor de $ 372 millones (u 820 millones a precios actuales, que acerca el valor del proyecto a una máquina como Wendelstein 7-X o K-STAR tokamak).


Los módulos magnéticos superconductores del MFTF ...


Y la carcasa de su imán superconductor extremo de 400 toneladas

Era una trampa ambipolar con imanes superconductores, incluidos terminal de la obra maestra "yin-yang", numerosos sistemas y diagnósticos de plasma de calefacción, un registro en todos los aspectos. Se planeó lograr Q = 0.5, es decir La producción de energía de la reacción termonuclear es solo la mitad del costo de mantener el funcionamiento del reactor. ¿Qué resultados logró este programa? Fue cerrado por una decisión política en un estado cercano a estar listo para su lanzamiento.


El terminal "Yin-Yang" MFTF durante la instalación en una cámara de vacío de 10 metros de la instalación. Su longitud debía alcanzar los 60 metros.

A pesar de que esta decisión, impactante por todos lados, es muy difícil de explicar, lo intentaré.
En 1986, cuando el MFTF estaba listo para lanzarse en el horizonte de los conceptos de TCB, se encendió una estrella de otro favorito. Una alternativa simple y barata a las trampas abiertas "bronceadas", que en este momento se había vuelto demasiado complicada y costosa en el contexto del concepto inicial de principios de los 60. Todos estos imanes superconductores de configuraciones de rompecabezas, inyectores neutros rápidos, potentes sistemas de calentamiento por plasma de radiofrecuencia, esquemas de supresión de inestabilidad de rompecabezas, parecía que instalaciones tan complejas nunca se convertirán en el prototipo de una planta de energía termonuclear.


JET en la configuración limitada inicial y bobinas de cobre.

Entonces tokamaki. A principios de los años 80, estas máquinas alcanzaron parámetros plasmáticos suficientes para quemar una reacción termonuclear. En 1984, se lanzó el JET tokamak europeo, que debería mostrar Q = 1, y utiliza imanes de cobre simples, su costo es de solo 180 millones de dólares. En la URSS y Francia, se están diseñando tokamaks superconductores, que casi no gastan energía en el funcionamiento del sistema magnético. Al mismo tiempo, los físicos que trabajan en trampas abiertas durante años no pueden avanzar en el aumento de la estabilidad del plasma, la temperatura de los electrones y las promesas de logros de MFTF son cada vez más vagas. Por cierto, las próximas décadas mostrarán que la apuesta por los tokamaks resultó estar relativamente justificada: fueron estas trampas las que alcanzaron el nivel de capacidades y Q, interesantes para los ingenieros de potencia.


El éxito de las trampas abiertas y tokamaks a principios de los años 80 en el mapa del "parámetro triple". JET alcanzará un punto ligeramente superior a TFTR 1983 en 1997.

La decisión del MFTF finalmente socava la posición de esta área. Aunque los experimentos en el INP de Novosibirsk y en la instalación japonesa Gamma-10 están en curso, se están cerrando programas bastante exitosos de los predecesores TMX y 2X-IIB en los Estados Unidos.
El final de la historia? No Literalmente ante nuestros ojos, en 2015, se está produciendo una sorprendente revolución silenciosa. Investigadores del Instituto de Física Nuclear. Los budistas en Novosibirsk, que mejoraron sucesivamente la trampa GDL (por cierto, cabe señalar que las trampas ambipolares en lugar de gasdinámicas eran superiores en Occidente) de repente alcanzan parámetros plasmáticos que los escépticos predijeron que eran "imposibles".


Una vez más GDL. Los cilindros verdes que sobresalen en diferentes direcciones son inyectores neutros, que se analizan a continuación.

Los tres problemas principales que enterraron las trampas abiertas son la estabilidad de MHD en una configuración axisimétrica (que requiere imanes complejos), la función de distribución de iones sin equilibrio (inestabilidad micro) y la baja temperatura de los electrones. En 2015, el GDL, con un valor beta de 0.6, alcanzó una temperatura de electrones de 1 keV. ¿Cómo sucedió esto?
Evitar la simetría axial (cilíndrica) en los años 60 en los intentos de vencer la flauta y otras inestabilidades MHD del plasma, además de complicar los sistemas magnéticos, también condujo a un aumento en la pérdida de calor radial del plasma. Un grupo de científicos que trabajan con GDL utilizó la idea de los años 80 para aplicar un campo eléctrico radial, creando un remolino de plasma. Este enfoque condujo a una brillante victoria - en beta 0.6 (recuerdo que esta relación de presión de plasma a presión de campo magnético es un parámetro muy importante en el diseño de cualquier reactor termonuclear - porque la velocidad y la densidad de liberación de energía están determinadas por la presión de plasma, y ​​el costo del reactor está determinado poder de sus imanes), en comparación con el plasma tokamak 0.05-0.1 es estable.


Nuevos instrumentos de medición - "diagnóstico", permiten una mejor comprensión de la física del plasma en GDL

El segundo problema con las micro-inestabilidades causadas por la falta de iones a baja temperatura (que son extraídos de los extremos de la trampa por un potencial ambipolar) se resolvió inclinando los inyectores de rayos neutros en ángulo. Esta disposición crea picos de densidad iónica a lo largo de la trampa de plasma, lo que retrasa la salida de los iones "calientes". Una solución relativamente simple conduce a la supresión completa de las microestabilidades y a una mejora significativa en los parámetros de confinamiento plasmático.


Flujo de neutrones de la combustión termonuclear de deuterio en la trampa de GDL. Puntos negros - mediciones, líneas - diferentes valores calculados para diferentes niveles de micro inestabilidades. Línea roja - micro inestabilidad suprimida.

Finalmente, el principal "cavador de tumbas" es la baja temperatura de los electrones. Aunque se han logrado parámetros termonucleares para los iones en las trampas, una temperatura elevada de los electrones es la clave para evitar que los iones calientes se enfríen y, por lo tanto, un alto valor de Q. La razón de la baja temperatura es la alta conductividad térmica "a lo largo" y el potencial ambipolar, que absorbe los electrones "fríos" de los expansores en los extremos trampas dentro del sistema magnético. Hasta 2014, la temperatura de los electrones en trampas abiertas no superó los 300 eV, y el valor psicológicamente importante de 1 kV se obtuvo en el GDL. Se obtuvo debido al buen trabajo con la física de la interacción de electrones en expansores terminales con un gas neutro y absorbedores de plasma.
Esto pone la situación al revés. Ahora, las trampas simples amenazan nuevamente la primacía de los tokamaks, que han alcanzado tamaños y complejidad monstruosos ( varios ejemplos de la complejidad de los sistemas ITER). Además, esta opinión no es solo de científicos del INP, sino también de científicos estadounidenses serios , publicados en revistas autorizadas. Más GDL cerca. Gracias por las fotos dedmaxopka Hasta ahora, sin embargo, el éxito de la GDL ha llevado a nuevas propuestas para instalaciones solo en el propio INP. Después de haber ganado una subvención del Ministerio de Educación y Ciencia a 650 millones de rublos, el instituto construirá varios puestos de ingeniería en el marco del prometedor rector " GDML-U




", combinando las ideas y los logros de GDF y una forma de mejorar la retención longitudinal del GOL. Aunque bajo la influencia de nuevos resultados, la imagen de GDFM está cambiando, pero sigue siendo la idea principal en el campo de las trampas abiertas.



¿Dónde están los desarrollos actuales y futuros en comparación con los competidores? Tokamaki, como saben, ha alcanzado valores de Q = 1, he resuelto muchos problemas de ingeniería, pasaré a la construcción de instalaciones nucleares en lugar de eléctricas y me estoy moviendo con confianza hacia el prototipo de un reactor de energía con Q = 10 y una potencia termonuclear de hasta 700 MW (ITER). toros, quedando a pocos pasos van desde el estudio de la física fundamental y la solución de problemas de ingeniería con Q = 0,1, pero no está en riesgo de ir en el campo de las instalaciones verdaderamente nucleares termonuclear quema de tritio. GDML-T podría ser similar a la stellarator W-7Xde acuerdo con los parámetros de plasma (sin embargo, siendo una instalación pulsada con una duración de descarga de varios segundos versus W-7X media hora a largo plazo), sin embargo, debido a la geometría simple, su costo puede ser varias veces menor que el stellarator alemán.


Evaluación de INP.

Hay opciones para usar GDMF como una instalación para estudiar la interacción de plasma y materiales (sin embargo, hay muchas instalaciones de este tipo en el mundo) y como una fuente termonuclear de neutrones para diversos fines.


Extrapolación de tamaños de GDMF según la Q deseada y las posibles aplicaciones.

Si mañana las trampas abiertas vuelven a ser favoritas en la carrera hacia el TCB, uno podría esperar que debido a las menores inversiones de capital en cada etapa, para 2050 se pondrán al día y superarán a los tokamaks, convirtiéndose en el corazón de las primeras plantas de energía termonuclear. A menos que el plasma presente nuevas sorpresas desagradables ...

Source: https://habr.com/ru/post/es391541/