Tokamak de inicio termonuclear

Un sitio popular sobre noticias atómicas World Nuclear News escribe sobre el lanzamiento (primer plasma) del ST40 tokamak, propiedad de la compañía privada inglesa Tokamak Energy. La noticia es bastante interesante, especialmente si conoces el contexto que intentaré presentar.


Fundador de Tokamak Energy Alan Sykes cerca de ST-40 en una escala de 1 a 1.

Tokamak Energy (TE) se fundó en 2009 (junto al JET tokamak más grande del mundo en la actualidad), y desde 2012 recibió fondos (hoy la startup ha recaudado $ 35 millones) para la construcción de una serie de tokamaks que conducen a un reactor de energía. En el contexto de ITER por valor de más de $ 20 mil millones, que no conduce a un reactor de energía, ¿parece extraño? Vamos a hacerlo bien.

El principal problema de la fusión termonuclear no es obtener una reacción termonuclear, sino que el reactor en el que la conducimos debe tener un tamaño razonable. Casi cualquiera de los conceptos de fusión funciona si aumenta el tamaño del reactor a kilómetros y la potencia a teravatios, pero dichos diseños no son aplicables en la vida real. La esencia del trabajo de los plasmistas en la búsqueda de tales configuraciones y tamaños de plasma termonuclear en los que su tamaño será mínimo con una complicación razonable del diseño del reactor (por ejemplo, sistemas de calefacción).


Video de Tokamak Energy sobre el "primer plasma" ST40. En el marco, una cámara de vacío tokamak, con un sistema de calefacción para disparar, no hay un sistema magnético. Un hermoso resplandor verde: una descarga de resplandor para limpiar las paredes de la cámara, no directamente relacionada con el plasma termonuclear

Los tokamaks esféricos solo le permiten dar un paso hacia abajo en términos del tamaño del cable de plasma a la misma potencia termonuclear, reducen formalmente el costo del reactor. La base teórica para esto se ha entendido desde 1986 (cuando se publicó el primer artículo), y se confirmó experimentalmente en los años 90. Escribí más sobre esto en una publicación sobre un nuevo tokamak ruso , también esférico.


Montaje de la cámara de vacío ST40. En ITER, solo se vería, digamos, un contenedor para almacenar agua industrial, no más :).

De hecho, Tokamak Energy está tratando de comercializar este descubrimiento de plasmismos hace veinte años. En el camino hacia esto, hay muchas dificultades de ingeniería, algunas de las cuales parecen insuperables o, en cualquier caso, no se pueden superar por un precio razonable. Es por eso que las noticias sobre el avance de TE son diversas. Está claro que todos estos éxitos terminarán en algún momento.

En este momento, los activos de TE incluyen el lanzamiento de un ST-25 tokamak muy pequeño (en realidad de escritorio) y luego convertirlo en superconductores de alta temperatura, con un récord de retención de plasma en un tokamak durante 29 horas (verdadero, plasma, muy bajo para configuraciones de temperatura y densidad termonuclear) ) El próximo tokamak, que se lanzó el 28 de abril, ya es mucho más serio. Tan grave que te hace creer que las dificultades de ingeniería insuperables son superables.


El diseño del tokamak en el futuro estará inmerso en un gran recipiente de vacío para aislamiento térmico: un criostato. En su interior hay un sistema magnético de cobre de bobinas toroidales y poloidales, dentro de las cuales hay una cámara de vacío tokamak. Una característica técnica importante son las bobinas de fusión y compresión, que resuelven el problema de un volumen insuficiente en la columna central para el solenoide central.

Entonces, ST40. Esta es una máquina puramente de investigación, que debería convertirse en una de las etapas intermedias en el camino hacia el prototipo de energía ST185 (que se construirá de acuerdo con el plan en 2025, del cual hay dudas muy serias sobre cuál al final). Un tokamak esférico con un radio de cable de plasma de solo 40 cm, una cámara de vacío de 1.5 x 2.2 metros de tamaño, una migaja en el contexto de autos serios. Después de completarse, debe alcanzar los parámetros plasmáticos con Q = 1 ... 2 (y, en consecuencia, una temperatura de 10 keV, también un registro para tamaños tan pequeños), donde Q es la relación entre la potencia termonuclear y el calentamiento. Permítanme recordarles que hoy el registro Q = 1.2 para el tokamak JT-60U con un volumen de plasma es decenas de veces más grande y ubicado cerca del ST40 JET, también con un volumen de plasma 40 veces más grande, solo Q = 0.7 a la vez alcanzado. De hecho, si se confirman los parámetros calculados de ST40, este será un avance increíble para los tokamaks.


Simulación del rendimiento de neutrones ST40 para plasma DT por diversos métodos. El recálculo de los parámetros de otro tokamak esférico MAST proporciona aproximadamente 3 megavatios de potencia termonuclear a 2 megavatios de calentamiento, es decir. Q ~ 1.5, sin embargo, el resultado puede ser peor.

¿Qué distingue exactamente al ST40 de sus predecesores? Este es un tokamak esférico con un campo suficientemente fuerte de 3 Tesla (cabe señalar que es un registro entre tokamaks esféricos), optimizado tanto como sea posible para obtener una Q alta. Un campo alto es un logro en sí mismo. El problema con los tokamaks esféricos es que la física requiere una columna central del diámetro más pequeño posible (para acercar la forma del plasma a la esfera lo más cerca posible), lo que significa el área mínima para los arcos internos de las bobinas toroidales y el solenoide central. La corriente de las bobinas toroidales determina la fuerza del campo, a pesar del hecho de que la densidad de corriente no puede ser mayor que ciertos parámetros, que es para una de cobre, y para un sistema superconductor. El solenoide central, a su vez, es necesario para el bombeo primario de energía de plasma, y ​​su tamaño también está bastante rígidamente limitado desde abajo.



Conductores de cobre de bobinas de campo toroidales y una columna central. 24 giros en forma de D agrupados en 3 (foto inferior a la izquierda) en la primera etapa durante los lanzamientos durante 1 ... 10 segundos conducen una corriente de aproximadamente 100 kA

Resulta que las restricciones de ingeniería dictan un campo bajo en un tokamak esférico ... o un rechazo del enfoque estándar para el lanzamiento. ST40 utiliza un nuevo método para iniciar el calentamiento por plasma y la generación de corriente de anillo: compresión y reconexión de líneas magnéticas. Este fenómeno es responsable de las erupciones solares y puede muy bien calentar el plasma. La efectividad de este enfoque no está clara, y esta es la primera tarea de ST40: aprenderá cómo iniciar una corriente de plasma sin usar un solenoide central (la pequeña CC en el diseño de ST40 aún permanece para mantener un perfil de corriente plana durante el arranque, pero su volumen es aproximadamente 10 veces menor que en el clásico esquema).


La reconexión magnética es un fenómeno de reconfiguración de un campo magnético cuando dos tubos de campo con direcciones opuestas "cortocircuitan" y desaparecen liberando energía. En la imagen, estos son los tubos externos de los dominios de "entrada", y la energía se libera en las direcciones de las flechas verticales.


La segunda solución de ingeniería en un intento de romper los límites es usar un sistema de cobre enfriado a la temperatura del nitrógeno líquido. Esto reduce la resistencia del cobre en 20-30 veces, y le permite aumentar la densidad de corriente en decenas de veces. El truco que permitirá al pequeño ST40 ponerse al día con máquinas grandes y caras en términos de Q y potencia termonuclear es un callejón sin salida: esta solución no permite cambiar a un tokamak que funciona durante más de 10 segundos. TE aquí confía en la superconductividad a alta temperatura, sin embargo, la densidad de ingeniería requerida en la columna de corriente central (al menos 100 amperios por milímetro cuadrado) es bastante difícil de lograr, dado el volumen ocupado por aislamiento eléctrico y térmico, protección de neutrones, componente estructural, etc. Por ejemplo, en los imanes toroidales ITER, la densidad de corriente de ingeniería es de solo 11 A / mm ^ 2. Este es uno de los obstáculos más difíciles para los tokamaks esféricos, y se desconoce cómo Tokamak Energy lo resolverá.


Anillo para asegurar las bobinas de compresión-reconexión dentro de la cámara de vacío ST40. Los ingenieros de Tokamak Energy ya se han enfrentado a un problema del mundo de los imanes termonucleares: grandes fuerzas pondemotoras deformantes, pero para el prototipo de energía, estas fuerzas crecerán en un orden de magnitud.

Como dije, este proyecto evoca sentimientos encontrados. Una de ellas es la sorpresa incondicional e incluso el entusiasmo por los parámetros de una pequeña instalación termonuclear, que en teoría pone a los tokamaks más serios con un financiamiento estatal de cientos de millones de dólares en un cinturón. El segundo sentimiento es la decepción de la realidad.

En realidad, el "lanzamiento" ST40 es solo un conjunto de vacío y limpieza de las superficies internas mediante una descarga luminosa en plasma de litio (hermoso color verde). El sistema magnético aún no se ha ensamblado y montado en una cámara de vacío, incluso en la configuración más simple, aunque de acuerdo con los planes de hace un año, esto debería haber sucedido a la vuelta del año 16/17. Antes de que los registros cierren los cinturones JET y JT-60U, la instalación todavía tiene que pasar por varias actualizaciones serias (instalar un criostato alrededor del tokamak, crear un sistema de enfriamiento de nitrógeno líquido para imanes, actualizar el sistema de suministro de energía de los imanes hasta diez veces la cantidad de energía almacenada, instalar inyectores de haz neutro, etc. .) - a tal ritmo de trabajo, solo estas tareas pueden prolongarse hasta 2025.


Aunque la cámara de vacío ST40 no es un producto tan simple, su complejidad es mucho menor que la de toda la instalación, sin mencionar el subsiguiente "ST *" superconductor. Entonces los ingenieros de TE están solo al principio.

El "poder termonuclear", que discutimos cuando hablamos de Q, en el caso de ST40 también será ligeramente virtual, convertido de la salida de neutrones del plasma DD (con el cual ST40 realmente funcionará) a DT (sin embargo, esta conversión del poder de neutrones se realiza de manera bastante inequívoca) . Esto se debe al hecho de que trabajar con tritio significa una clase de instalación completamente diferente con muchos años de obtener una licencia de un regulador atómico y muy probablemente con la construcción de un complejo especial de edificios. Quizás TE ya está llevando a cabo este trabajo para obtener más licencias nucleares, si no para esto, para el próximo automóvil, pero hasta ahora esto no se anuncia de ninguna manera, no es visible en las soluciones de ingeniería y los planes de la campaña. Es decir, el componente nuclear de los tokamaks es una especie de Everest, en el que muy pocos proyectos pueden subir: es muy difícil, muy costoso e inseguro. El componente nuclear determina en última instancia el costo y la apariencia de ingeniería de la planta de energía, y "olvidarlo" significa olvidar aproximadamente el 50% de la complejidad y complejidad.

Estos pensamientos nos llevan suavemente a la pregunta a la que no tengo respuesta: ¿quién y por qué está invirtiendo hoy en startups de fusión en todo el mundo? La última década ha visto un claro auge de tales proyectos: Tokamak Energy, Tri Alpha Energy , General Fusion , Helion Energy y otros , a pesar de que el mercado de la electricidad está deprimido y la construcción de nuevas plantas de energía de cualquier tipo no es rentable sin subsidios, con la excepción de los países en desarrollo. Si Tri Alpha desarrolla la idea de instalar una fusión libre de neutrones, lo que puede no requerir licencia, y General Fusion espera que la idea de una fusión de "baja tecnología" funcione, entonces para esquemas más o menos tradicionales es difícil imaginar cómo puede pagarla, de la misma manera cuán difícil es imaginar la recuperación de un "reactor nuclear en cada hogar", a pesar de la viabilidad de ingeniería de tal instalación.

O los inversores todavía están en el paradigma de los años 60 ... 70, o esperan nuevos mercados (por ejemplo, reemplazar las centrales eléctricas de carbón en la búsqueda de reducir las emisiones de CO2), o la psicología de riesgo hace que la inversión en proyectos sea amplia mercados (y el mercado de la electricidad sigue siendo uno de los más grandes). Sin embargo, el hecho es que en el mundo moderno hay dinero que le permite verificar muchas ideas "perpendiculares" en hierro, y quizás una de ellas le dará la primera energía termonuclear incluso antes de que ITER alcance su capacidad total.

PD: Utilizamos fotos del instagram de Tokamak Energy , un artículo sobre la ingeniería y la base física de ST40 y la "filosofía" física de elegir un tamaño de tokamak .