Réacteur de fusion Tri Alpha Plasma Vortex

Comme vous le savez, la réaction thermonucléaire du mélange deutérium-tritium se poursuivra même à température ambiante, mais trop lentement pour être intéressante. Pour obtenir une libération d'énergie industrielle (1-10 mégawatts par mètre cube), il est nécessaire de créer des conditions de confinement du plasma avec une température de 100-200 millions de degrés et une densité de 1 ... 2 * 10 ^ 20 particules par mètre cube. À environ ces paramètres, le système commence à s'auto-équilibrer (dans les tokamaks) - la libération d'énergie est comparée aux fuites et au coût de chauffage de nouvelles portions de carburant. Ces nombres extrêmes sont une zone d'intérêt pour tous les développeurs de réacteurs thermonucléaires, et leur réalisation est la tâche de plusieurs décennies de développement du concept de fusion thermonucléaire contrôlée (TCF).


Piège ouvert GDL — . . .


Comme je l'ai écrit dans le programme éducatif sur la physique du tokamak , le principal problème d'un tel plasma est la fuite de chaleur de celui-ci. Ils essaient de résoudre ce problème de deux manières - en créant des pièges magnétiques à grand volume (dont le principal est ITER), dans lesquels le chauffage externe et interne est égal au refroidissement dans les installations pulsées, où le plasma comprimé en paramètres thermonucléaires brûle si violemment qu'il libère suffisamment d'énergie thermonucléaire pour ces millisecondes qui refroidissent. Cependant, pour un tel régime, le plasma doit être chauffé encore plus et comprimé encore plus (quoique brièvement) que dans les pièges magnétiques permanents. Les progrès sur cette voie sont encore plus tristes qu'avec les tokamaks en raison de l'instabilité fondamentale du plasma qui, lorsqu'il est comprimé, «glisse» hors du champ de compression et se dissipe, perdant en température et en densité.


Par exemple, l'une des options les plus avancées pour un TCB pulsé est MagLIF .

Pour tenter de suivre cette voie, les chercheurs des années 70 ont attiré l'attention sur les tourbillons de plasma, appelés FRC (configurations inversées sur le terrain), dont la structure est similaire à celle des anneaux de fumée de tabac.


Plasma vortex FRC avec un champ poloïdal magnétique figé (bleu), "spontané" dans un champ magnétique longitudinal (vert).

Ils se sont avérés être des formations stables et de longue durée. Ils sont faciles à gérer - accélérer, compresser, fusionner et séparer. De plus, ils avaient un avantage extrêmement important - la pression de leur propre champ magnétique gelé était proche de la pression du plasma, c'est-à-dire la conception était bien adaptée pour atteindre facilement des paramètres de température et de pression élevés. Maintenant, avec la formation de plasma z-pincée auto-contractante la plus simple, ils sont des invités fréquents dans les idées de réacteurs thermonucléaires pulsés ... Là où d'autres formations de plasma ont été détruites par des instabilités ou simplement dispersées dans l'espace pendant la compression, FRC a promis des avantages tangibles.


Le FRC peut être trouvé dans de nombreux réacteurs. Par exemple, dans l' expérience Plasma Liner du Los Alamos National Laboratory.

En 1997, les États-Unis ont proposé le concept de Collision Beam Fusion Reactor (CBFR), un circuit pulsé où deux tourbillons de plasma de type FRC dispersés sont entrés en collision et comprimés au centre de la machine par un champ magnétique pulsé, formant un plasma de densité et de température suffisantes pour enflammer la réaction thermonucléaire. Dans le même temps, l'utilisation du FRC garantissait que ce plasma survivrait dans les conditions d'une combustion par réaction thermonucléaire suffisamment pour que l'énergie de fusion allouée soit suffisante pour le fonctionnement rentable de la centrale, y compris les coûts d'exploitation du CBFR lui-même. Bien sûr, si le concept et les calculs des auteurs étaient complètement corrects.


Ainsi, dans les années 90, ils ont conçu un générateur de 100 mégawatts basé sur deux réacteurs à impulsions CBFR de 50 mégawatts.


CBFR: 2 FRC . .

Sur la base de ce concept, plusieurs startups ont immédiatement développé l'idée de CBFR. Helion Energy et Tri Aplha Energy ont remporté plus de succès en termes de collecte de fonds. Les premiers tentent de fabriquer un réacteur basé sur la réaction D + He3, déclarant qu'ils obtiennent une température de 5 kV, un champ de 100 T et une durée de vie de 1 ms sur leur prototype. Leur densité plasmatique est inconnue, mais en supposant que 10 ^ 20 particules par mètre cube sont fréquentes pour de telles expériences, elle est 100 fois pire que le seuil de rentabilité (production d'énergie égale au coût de chauffage et de compression, sans tenir compte du coût de l'installation) pour la réaction D + T, et environ 50 000 fois pire que nécessaire pour un réacteur en fonctionnement. Cependant, l'équipement sur lequel ils semblent avoir atteint ces valeurs fait douter des chiffres réclamés.


Installation de laboratoire Helion.

Cependant, leurs concurrents Tri Alpha (fondés par les développeurs du concept CBFR Norman Rostoker et Hendrik Monkhorst) ont tous deux de grandes ambitions - utiliser la réaction p + B la plus complexe pour l'énergie thermonucléaire et un réacteur plus grand pour mettre en œuvre ces idées et 150 employés.


Dans la salle de contrôle du prototype du réacteur Tri Alpha.

L'avantage de la réaction choisie est l'absence de neutrons qui activent le réacteur et le transforment en objet nucléaire, et un approvisionnement illimité en sources (contrairement au lithium pour la réaction D + T ou à l'hélium-3 réellement absent au sol pour He3 + D). L'inconvénient est des conditions de combustion plasma beaucoup plus dures (60 fois) et de gros problèmes avec les rayonnements gamma parasites.


Conceptuellement, TAE utilise le même réacteur que Helion, seulement 10 fois plus.


État actuel de l'installation. Des injecteurs d'impulsions de particules neutres sont visibles (barils gris autour du réacteur).

Les Californiens Tri Alpha ont déjà levé plus de 100 millions de dollars d'investissements (y compris auprès de RUSNANO (!), Donc A. Chubais est l'un des membres du conseil d'administration de la société, et la société passe des commandes de matériel en Russie), ce qui leur a permis d'utiliser beaucoup plus grande qu'à l'échelle du laboratoire. Le prototype de 23 mètres du réacteur «C2» est quelque peu similaire aux pièges ouverts de l'INP (comme sur la première photo) - un tuyau enveloppé dans un ensemble de solénoïdes aux bords duquel est généré dans des tourbillons FRC et accélère à 250 km / s au centre.


A l'intérieur de la chambre centrale C2.

En général, il s'agit d'une installation assez avancée qui utilise des getters en titane pour produire des injecteurs neutres de mégawatts pulsés à vide ultra-élevé ( produits par l'INP de Novossibirsk ) qui créent les profils de densité ionique nécessaires dans le réacteur, des électrodes pulsées quadripolaires pour combattre les instabilités cinétiques et de nombreux instruments pour diagnostiquer la physique des phénomènes qui se produisent.


Un ensemble d'outils de diagnostic dans l'installation C2.

Ainsi, l'installation se rapproche des tokamaks avancés de la fin des années 70 en termes de complexité et de tâches, cependant, contrairement à la grande science (partiellement militaire) financée par l'État, ce sont des mains complètement privées.


Gros plan sur les injecteurs neutres d'impulsion de Novosibirsk.

En 2015, Tri Alpha a annoncé que ces dernières années, ils avaient réussi à augmenter le temps de confinement du plasma de 10 fois (jusqu'à 5 ms), le temps étant limité par la longueur d'impulsion du système NBI et maintenant, ils voient une voie claire pour installer un «C3» à grande échelle, qui sera terminé en 2017. Il est prévu d'atteindre un niveau suffisant pour le seuil de rentabilité D + T (théorique, puisque l'installation ne fonctionnera que sur le deutérium, sans utilisation de tritium) avec une température de plasma de 100 millions de degrés (10 kev) et un temps de rétention de 1 seconde. À ce jour, ce niveau a été atteint dans deux tokamaks - le JET européen et le JT-60U japonais.Cependant, ces deux projets ont coûté au moins un milliard de dollars et ont été créés grâce aux efforts conjoints de plusieurs États.


Tokamak JT-60SA lors du démontage. Fait intéressant, les colonnes grises à gauche sont également des injecteurs à faisceau neutre, comme dans C2.

D'autres plans TAE ne sont pas bien connus. La société n'aime pas du tout la publicité (elle n'a même pas de site Web). Comme dans le cas des réacteurs à piège ouvert, il est prévu à l'avenir d'extraire de l'énergie par conversion directe - pour ralentir les ions et les électrons et les court-circuiter aux pôles d'un appareil spécial. L'efficacité et surtout le prix d'une telle méthode sont bien plus élevées que les convertisseurs traditionnels à turbine thermique. Il existe des propositions pour l'utilisation de machines telles que les moteurs à réaction pour les engins spatiaux (salut Wiverjet!). Jusqu'à présent, on peut dire que de tous les concepts alternatifs, c'est l'un des plus prometteurs, mais le cimetière géant de concepts prometteurs de réacteurs thermonucléaires existant aujourd'hui oblige cette startup avec une certaine part de scepticisme. Eh bien, dans quelques années, nous verrons soit la naissance de l'énergie thermonucléaire (je vous rappellerai également General Fusion ), soit un autre coucher de soleil peu glorieux d'une autre startup prometteuse.

Source: https://habr.com/ru/post/fr384089/