Energía limpia por un centavo

¿Cuándo aparecerán las centrales eléctricas de fusión? Los científicos a menudo dicen algo como "en 20 años resolveremos todos los problemas fundamentales". Los ingenieros de la industria nuclear hablan sobre la segunda mitad del siglo XXI. Los políticos hablan de un mar de energía limpia por un centavo, sin molestarse con las fechas. Los economistas dicen que nunca.


Yavlinsky, los creadores del primer tokamak T-1 Artsimovich del mundo, también prometió plantas de energía en 20 años.

Las personas tienden a hacer predicciones extrapolando de la experiencia. En el caso de los intentos de crear una planta de energía termonuclear comercial, la experiencia es negativa: 60 años de esfuerzos han conducido a la mitad del éxito, hay algo, pero claramente no es algo que se pueda usar todos los días para generar electricidad. La intuición dice que si en 60 años no hemos superado este muro, en el futuro, algo bueno no debería esperarse.

Y en vano. Porque la cantidad de tecnología y conocimiento está en constante crecimiento, incluso sobre el plasma y su retención. En algún momento, nuestro conocimiento será suficiente para que en el proceso ordinario y rutinario de invertir en el desarrollo de la tecnología, sin hazañas especiales, sea posible la energía termonuclear.


Aquí, por ejemplo, hay un ejemplo rutinario de trabajo en una instalación Tri Alpha Energy C-2U

Las barreras psicológicas están en camino a este "quizás" hoy. Con demasiada frecuencia, los desarrolladores de reactores termonucleares se han enfrentado a la imprevisibilidad, las altas estimaciones y los nuevos hechos desagradables del campo de la física del plasma. Con demasiada frecuencia, la forma de lidiar con estos hechos condujo al concepto a un punto muerto económico, cuando dos docenas de milagros de ingeniería se atornillaron inicialmente en una máquina simple, y la instalación resultante en sí misma se convirtió en una solución récord en la que no había espacio para la "facilidad de uso", la "confiabilidad", " baratura ".


Lujoso nuevo cartel con consejos corte ITER en la profundidad de pendejos problemas con la complejidad de los dispositivos termonucleares.

En este contexto, es muy difícil asumir la responsabilidad de resolver problemas futuros, aún desconocidos, y postular que se puede construir un reactor termonuclear incluso si la física y la ingeniería primero encienden una luz verde. ¿Qué pasa si se abre un nuevo tipo de inestabilidad desagradable a medida que crece el reactor? ¿Qué pasa si la economía de la ingeniosa ingeniería de ayer encuentra que es posible hacer que el reactor sea más bajo que el zócalo? ¿Qué pasa si los materiales de un reactor termonuclear con un aumento en el tiempo de operación de 10 a 31000000 segundos no se mantendrán?


Los planes oficiales de Europa, incluso en una forma muy optimista, prometen un prototipo de una planta de energía termonuclear para 2050. ¿Hay alguna opción de que alguien haga esto antes?

Hoy, psicológicamente más cercano a la construcción de centrales termonucleares esEmpresa de California Tri Alpha Energy (TAE). Hay un equipo de 150 personas, entre las cuales muchos físicos eminentes de plasmistas se encuentran en condiciones en las que cada 2-3 años deben mostrar un nuevo logro en el esquema general del movimiento a una planta de energía termonuclear comercial. De hecho, estableció un plan para los descubrimientos en el campo de la física del plasma. La otra cara de esta presión es el ritmo vertiginoso de traducir las ideas de los científicos: su configuración experimental bastante grande Tri Alpha se puede actualizar fácilmente en un mes después de la aparición de nuevas ideas, en comparación con los años de instalaciones universitarias y académicas.


Un video interesante de TAE es la restauración de la imagen de lo que está sucediendo con el plasma en la instalación de C-2U. Preste atención al temporizador desde la parte superior izquierda: queda claro que mantener el plasma sin descomposición de 8000 microsegundos (el registro actual) es bastante tiempo.

La idea que subyace en el reactor TAE es utilizar vórtices de plasma (llamados FRC - Configuración inversa de campo), que tienen la propiedad de autocontrol y algunas otras ventajas, manteniendo su estabilidad con la ayuda de inyectores de haz neutro, es bastante reciente, desde mediados de los 90. De todos modos. Esto es más nuevo que las ideas de un tokamak, un stellarator o una trampa abierta clásica. Los FRC tienen un conjunto de propiedades bastante inusual, lo que hace que sea conveniente usar la reacción termonuclear H ¹ + B ¹¹ = 3 * He en dicho reactor⁴ (H ¹ aquí es hidrógeno ordinario, B ¹¹ es el isótopo de boro más común y He ⁴ son las partículas alfa emitidas, de ahí el nombre de la compañía Three Alpha). Paradójicamente, esta es una de las reacciones termonucleares más difíciles de lograr: requiere temperaturas 15 veces más altas que la del deuterio-tritio "clásico" y, por lo tanto, una presión de campo magnético 15 veces mayor para mantener y requisitos de pureza más estrictos. plasma


La velocidad de diferentes reacciones termonucleares a la misma densidad dependiendo de la temperatura. Tenga en cuenta que la escala de la izquierda es logarítmica. A una temperatura de 320 keV, pB11 casi no difiere de DHe3 y es solo varias veces más lento que el DT clásico.

Sin embargo, FRC le permite usar casi toda la magnitud de la presión del campo magnético, en contraste con los tokamaks, donde puede usar solo el 10%. PB11 tiene sus ventajas: ambos componentes están muy extendidos y son seguros (a diferencia del tritio radiactivo y el isótopo de helio He3 que no existen en la Tierra, y si el tritio se puede obtener del litio, entonces el He3 solo se puede obtener en algún lugar del espacio), y Además, la reacción no produce una potente radiación de neutrones. Para un reactor DT, la radiación de neutrones que elimina el 86% de la energía de una reacción termonuclear será un verdadero azote, destruyendo y activando rápidamente los materiales estructurales. Para pB11, la potencia de neutrones será ~ 0.1% de la potencia del reactor a través de reacciones secundarias.


FRC — . , TAE , , TAE .

Típicamente, los plasmistas prestan más atención a la extrema complejidad de obtener los parámetros plasmáticos necesarios para pB11 que a las importantes ventajas económicas de esta reacción. El tritio y los neutrones en un reactor son una carga tremenda que multiplica el costo y la complejidad del concepto del reactor; sin embargo, los físicos ya no están luchando con estas dificultades. Por otro lado, la posible opción para la reacción D + He3 también es que casi un aneutrón (potencia de neutrones - 1-4% de la potencia del reactor) sufre la necesidad de construir una infraestructura de extracción de helio en paralelo con las centrales eléctricas3, hoy es una tarea inimaginable (por ejemplo, puede extraerse en la atmósfera de Urano). , ¿cómo te gusta esta opción? Aunque alguien no estará contento de que al final no tomemos combustible de Urano).


Para los inversores, TAE ya está dibujando una vista preliminar de un reactor de fusión de 380 megavatios (eléctrico). Los planes para construir cincuenta plantas de este tipo en la década de 2030

Hidrógeno y Bor-11 son más asequibles que el combustible nuclear: uranio 235 o plutonio 239.

Tri Alpha, habiendo reunido a expertos a nivel de los mejores centros mundiales para el estudio del plasma termonuclear, se está moviendo muy rápido. Fue solo en 2015 que se demostró que los vórtices de FRC eran compatibles sin descomponerse con potentes haces tangenciales de partículas neutras, una de las declaraciones clave del físico fundador de la compañía, Norman Rostoker. Y ahora están construyendo una nueva instalación, donde se debe lograr un aumento de 30 veces en el parámetro triple (el producto de la densidad, la temperatura y el tiempo de retención, las principales propiedades que determinan el rendimiento energético de la reacción termonuclear) del plasma. Si TAE espera nuevamente el éxito, entonces esta instalación permitirá encontrar la llamada escala: la dependencia empírica del parámetro triple de las características de la instalación (tamaño, campo magnético, potencia de los inyectores neutros, etc.). Y escalando, a su vez,ya nos permitirá determinar con alta precisión si realmente es posible hacer un reactor basado en la idea Tri Alpha, o si será inalcanzable.


, TAE — C2W, 8 , FRC 1-3 ~30 , , .


— , , . Q pB11 — .

Es interesante que de esta manera, la naturaleza, a veces, arroja no solo dificultades, sino también regalos. Por ejemplo, en todos los libros de texto está escrito que la reacción termonuclear de hidrógeno-boro (p + B11 -> He4 + He4 + He4) en un plasma ópticamente transparente siempre perderá más energía de la que emite, es decir. Para mantenerlo, se necesita calefacción externa: una ruta en el caso ideal y un 15% de la potencia de un reactor termonuclear bastante pequeño. Esta característica desagradable de pB11 se calcula con bastante facilidad a partir de la sección transversal (probabilidad) de la reacción en la colisión de un protón y un ion boro y el cálculo de las pérdidas electromagnéticas durante la dispersión de electrones calientes (y pB11 requiere una temperatura 20 veces mayor que la reacción ITER D + T-> He + n). Entonces, nuevas mediciones más precisas de la sección transversal de reacción pB11 mostraron que la sección transversal es más alta de lo que se pensaba anteriormente.¡A ciertas temperaturas, según nuevos datos, la fusión genera más energía en esta reacción de la que se pierde! Es interesante ver cómo se corresponden los libros de texto de física.


pB11 ().


, — ( ) ( ) , — ( ), .

Sin embargo, la distancia que Tri Alpha necesita cubrir es aún muy grande, incluso si la escala es precisa, es necesario aumentar la calidad de retención en un factor de cientos: la presión del campo magnético, la potencia y el tiempo de funcionamiento del NBI y todos los demás sistemas. Es posible que el equipo de TAE se enfrente a un problema típico de las plantas de fusión: se vuelven demasiado grandes, complejas y se mueven demasiado lentamente en el camino hacia los reactores comerciales. En cuanto a los números, debo decir que ahora el registro de temperatura FRC es ligeramente inferior a mil eV, y es necesario: 320,000 eV. El tiempo de retención de energía es de unos pocos milisegundos, y lleva decenas de segundos. La densidad también es al menos diez veces inferior a los parámetros necesarios en una instalación industrial. Parte de esto se puede superar simplemente aumentando el tamaño y la potencia del reactor,pero parte tendrá que incrementarse cualitativamente, mejorando la pureza del plasma, la eficiencia de los sistemas de soporte, encontrando modos de operación de plasma nuevos y más exitosos.


Otro trabajo del artista sobre el tema de la posible aparición de futuros automóviles TAE.


La imagen con un asterisco - diferentes versiones de la primera máquina termonuclear Tri Alpha - con mejor y peor confinamiento. El tiempo de retención de FRC es de 7 a 30 segundos (¡no milisegundos!). Necesitará sistemas de suministro de combustible de FRC, bombeando la "ceniza" de helio que "obstruye la cámara de combustión", los nuevos inyectores de haz neutro de megavoltios que se están desarrollando ahora en el INP de Novosibirsk y un poco de suerte, para que el plasma no arrojó las siguientes fortels.

Tri Alpha planea ir por este camino (al prototipo de la planta de energía) en 5 instalaciones y aproximadamente 15 años, y recibió alrededor de medio billón de dólares de varios inversores en este trabajo .


Foto del interior de la instalación C-2U ya desmontada. Por cierto, el trabajador no se vestía así para que todos entendieran su frescura, pero no para dejar orgánicos en las paredes internas de la cámara: el plasma es extremadamente sensible a la calidad del vacío y la suciedad, y un cabello en una cámara de vacío puede no permitir un experimento.

Pero no fue en vano hablar de psicología. Mientras que el equipo de TAE está comiendo con confianza a través de los ojos de los inversores, otros especialistas que se han quemado repetidamente en los pronósticos hablan con mayor modestia de las perspectivas actuales de la energía termonuclear. Sin embargo, las ideas teóricas recientes en el Instituto de Física Nuclear. Los confirmadores en Novosibirsk, si se confirman en el experimento, pueden simplificar enormemente el trabajo de crear un reactor termonuclear, reduciendo su tamaño y complejidad varias veces.

Antes de hablar sobre ellos, quiero volver a detenerme en un punto interesante. Imagine que durante muchas décadas ha estado dando dinero a físicos termonucleares bajo los planes firmes de "una planta de energía en 20 años", y cada vez que vienen y dicen "el plasma resultó ser más complicado de lo que pensábamos, necesitamos otros 20 años". Y luego vienen y dicen "el plasma resultó ser más complicado de lo que pensábamos, así que teníamos una solución simple y barata, pero necesitamos 20 años". ¿Qué les responderás? :)

Entonces, estamos hablando de dos ideas teóricas posibles hasta ahora: “burbuja diamagnética” y “bombeo de plasma por un campo magnético helicoidal”. El primero es inflar una "burbuja" del plasma en una trampa abierta, aumentando así esencialmente la cantidad de plasma y su presión, la dirección de movimiento ideal si queremos reducir la pérdida de energía de un plasma termonuclear. Parecería que una idea trivial incluye varias características difíciles, cuya comprensión ha aparecido en las últimas décadas. Tal burbuja puede reducir el tamaño de un reactor termonuclear en una trampa abierta en un factor de ~ 10. Se espera una verificación experimental de esta idea en los próximos años.


Una "burbuja" es realmente una burbuja. El contorno de plasma inicial en la trampa de tipo GDL está dibujado por una línea azul.


Una sección esquemática de una trampa GDL abierta, sobre la base de la cual surgió la idea de una "burbuja", y a la que es aplicable una reducción significativa en el tamaño de un reactor de energía si esta idea funciona.

Ya que estamos hablando de trampas abiertas- Les recuerdo que esta versión más simple de una instalación termonuclear "no funcionó" en ese momento debido a dos problemas principales: inestabilidades, que solo aprendieron a lidiar en el siglo XXI, cuando el interés en las trampas se perdió principalmente y la gran conductividad térmica longitudinal (p. Ej. e. fuga de calor del plasma a través de los agujeros al final de la instalación cilíndrica, entonces es una trampa abierta). El segundo problema no se resuelve hasta el final hoy, por lo que en lugar de deuterio o boro, debe quemar carbón. Entonces, "bombeo de plasma por un campo magnético helicoidal" es un prototipo de un sistema magnético que se instala en los extremos abiertos de la trampa y "bombea" el plasma hacia atrás, debido a la interacción de un campo magnético helicoidal con un plasma que vuela alrededor del eje, volando.La eficiencia en la supresión de la conductividad térmica longitudinal de un sistema de este tipo puede resultar increíblemente alta, ya que ha resuelto el problema fundamental restante de OL.


Diagrama esquemático de la instalación de resina: a la izquierda hay una pistola de plasma, en el medio hay un sistema magnético en espiral, a la izquierda hay un expansor de tanque con un electrón segmentado, que crea un gradiente eléctrico en el plasma que lo retuerce. El sistema de tornillo se puede encender "a lo largo" y "contra" el plasma.

Lo más interesante es que la instalación de RESOL para verificar la "retención de tornillos" ya va a INP, y tal vez en la primavera de 2017 sea posible ver los primeros resultados. Una vez más, durante 50 años, este problema no permitió tomar y construir un reactor termonuclear basado en una trampa abierta (para ser justos, junto con otros problemas físicos y la gran cantidad de ingeniería aún esperando), y podría cerrarse en un experimento físico bastante rutinario el próximo año.


Un artículo de 1958 sobre un "Stellarator que promete un salto significativo en la generación de energía utilizable a partir de la fusión termonuclear controlada".

Para resumir, recordaré una vez más la psicología. Durante los últimos 30 años, las personas se han acostumbrado a la idea de que la energía de fusión al menos no está económicamente justificada y posiblemente directamente prohibida por razones físicas o de ingeniería. Nos acostumbramos a esa época cuando los éxitos de los físicos en este camino eran poco entusiastas, y los diseños propuestos de los reactores termonucleares no eran viables. Ahora tal vez estamos entrando en la próxima era cuando tenemos que abandonar el hecho de que las plantas de energía de fusión son imposibles. Cuando se rechazaron ideas de hace 40 o incluso 60 años con una nueva comprensión del plasma y las capacidades técnicas (por ejemplo, superconductores o sistemas de control digital) de repente se enciende una luz verde.

Source: https://habr.com/ru/post/es397025/