Révolution thermonucléaire silencieuse

Il n'y a probablement pas un seul domaine d'activité humaine si plein de déceptions et de héros rejetés comme tentatives de création d'énergie thermonucléaire. Des centaines de concepts de réacteurs, des dizaines d'équipes qui sont constamment devenues les favoris des budgets publics et de l'État, et qui ont finalement décidé du vainqueur sous la forme de tokamaks. Et là encore, les réalisations des scientifiques de Novossibirsk relancent l'intérêt du monde entier pour un concept brutalement piétiné dans les années 80. Et maintenant plus en détail.


Piège ouvert GDL avec des résultats impressionnants

Parmi toute la variété des propositions, la façon d'extraire l'énergie de la fusion thermonucléaire est la plus orientée vers le confinement stationnaire d'un plasma thermonucléaire relativement lâche. Par exemple, le projet ITER et plus largement - pièges toroïdaux tokamaki et stellarators - d'ici. Ils sont toroïdaux parce que c'est la forme la plus simple d'un vase clos de champs magnétiques (en raison du théorème de peignage du hérissonun vaisseau sphérique ne peut pas être fait). Cependant, à l'aube des recherches dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée, les favoris n'étaient pas les pièges à géométrie tridimensionnelle complexe, mais les tentatives de garder le plasma dans les soi-disant pièges ouverts. Il s'agit généralement de récipients magnétiques de forme cylindrique dans lesquels le plasma est bien maintenu dans la direction radiale et s'écoule des deux extrémités. L'idée des inventeurs ici est simple - si le chauffage d'un nouveau plasma par une réaction thermonucléaire se déroule plus rapidement que le flux de chaleur des extrémités, alors Dieu le bénisse, avec l'ouverture de notre récipient, l'énergie sera générée et la fuite se produira toujours dans un récipient à vide et le carburant sera marcher dans le réacteur jusqu'à ce qu'il brûle.


L'idée d'un piège ouvert est un cylindre magnétique avec des bouchons / miroirs aux extrémités et des expanseurs derrière eux.

De plus, dans tous les pièges ouverts, une méthode ou une autre est utilisée pour retarder le plasma de s'échapper par les extrémités - et la plus simple ici est d'augmenter fortement le champ magnétique aux extrémités (mettez des «bouchons» magnétiques dans la terminologie russe ou des «miroirs» à l'ouest), tandis que en effet, les particules chargées incidentes jailliront des miroirs miroirs et seule une petite fraction du plasma les traversera et tombera dans des expanseurs spéciaux.


Et une représentation un peu moins schématique de l'héroïne d'aujourd'hui - une chambre à vide est ajoutée dans laquelle vole le plasma, et tous les autres équipements.

La première expérience avec un piège «miroir» ou «ouvert» - le concombre Q a été placé en 1955 au laboratoire national américain Lawrence Livermore. Depuis de nombreuses années, ce laboratoire est devenu un leader dans le développement du concept de TCB basé sur des pièges ouverts (OL).


La première expérience au monde - un piège ouvert avec des miroirs magnétiques Q-concombre

Par rapport aux concurrents fermés, les avantages de l'OL peuvent être écrits avec une géométrie beaucoup plus simple du réacteur et de son système magnétique, ce qui signifie un faible coût. Ainsi, après la chute du premier favori des réacteurs TCB - Z-pinch, les pièges ouverts reçoivent une priorité et un financement maximum au début des années 60, promettant une solution rapide pour peu d'argent.


Début des années 60, piège de table

Cependant, le pincement très Z n'a pas démissionné par hasard. Ses funérailles ont été associées à la manifestation de la nature du plasma - des instabilités qui ont détruit les formations de plasma en essayant de comprimer le plasma avec un champ magnétique. Et cette caractéristique particulière, mal étudiée il y a 50 ans, a immédiatement commencé à interférer de manière gênante avec les expérimentateurs de pièges ouverts. Les instabilités de la flûte rendent le système magnétique plus compliqué en introduisant, en plus des simples solénoïdes ronds, des «bâtons de Joffe», des «pièges de baseball» et des «bobines de yin-yang» et réduisent le rapport de la pression du champ magnétique à la pression du plasma (paramètre β).


Aimant supraconducteur «Baseball» piège Baseball II, milieu des années 70

De plus, la fuite de plasma se déroule différemment pour les particules d'énergies différentes, ce qui entraîne un déséquilibre du plasma (c'est-à-dire le spectre de vitesse des particules non maxwellien), ce qui provoque un certain nombre d'instabilités désagréables. Ces instabilités, à leur tour, "balançant" le plasma accélèrent son échappement à travers les cellules du miroir d'extrémité. À la fin des années 60, des versions simples de pièges ouverts ont atteint la limite de température et de densité du plasma détenu, et ces chiffres étaient de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux nécessaires pour une réaction thermonucléaire. Le problème résidait principalement dans le refroidissement longitudinal rapide des électrons, qui perdaient alors de l'énergie et des ions. De nouvelles idées étaient nécessaires.


Piège ambipolaire TMX-U réussi

Les physiciens proposent de nouvelles solutions, principalement liées à l'amélioration du confinement longitudinal du plasma: confinement ambipolaire, pièges ondulés et pièges à gaz dynamique.

• Le confinement ambipolaire est basé sur le fait que les électrons «fuient» d'un piège ouvert 28 fois plus rapidement que les ions deutérium et tritium, et une différence de potentiel apparaît aux extrémités du piège - positive des ions à l'intérieur et négative à l'extérieur. Si l'amplification d'un champ avec un plasma dense est effectuée aux extrémités de la configuration, le potentiel ambipolaire dans un plasma dense empêchera le contenu interne moins dense de se diffuser.
• Les pièges en carton ondulé créent un champ magnétique «nervuré» à la fin, où les ions lourds se séparent en raison du «frottement» contre les champs de piège enfermés dans des «creux».
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Il est intéressant de noter que tous ces concepts par lesquels les installations expérimentales ont été construites ont nécessité une complication supplémentaire de l'ingénierie des pièges ouverts. Tout d'abord, ici pour la première fois dans le complexe TCB des accélérateurs de faisceaux de neutrons apparaissent qui chauffent le plasma (dans les premières installations, le chauffage était réalisé par une décharge électrique conventionnelle) et modulent sa densité dans l'installation. Le chauffage par radiofréquence, apparu pour la première fois au tournant des années 60/70 dans les tokamaks, est ajouté. De grandes et coûteuses unités Gamma-10 sont en construction au Japon, TMX aux États-Unis, AMBAL-M, GOL et GDL dans l'INP de Novossibirsk.


Le système magnétique Gamma-10 et le diagramme de chauffage par plasma illustrent bien à quel point ils sont passés de simples solutions OL aux années 80.

Parallèlement, en 1975, sur le piège 2X-IIB, les chercheurs américains ont été les premiers au monde à atteindre une température ionique symbolique de 10 kV, ce qui est optimal pour la combustion thermonucléaire du deutérium et du tritium. Il est à noter que dans les années 60 et 70 ils sont passés sous le signe d'une poursuite de la température souhaitée de quelque façon que ce soit, car la température détermine si le réacteur fonctionnera du tout, tandis que les deux autres paramètres - la densité et le taux de fuite d'énergie du plasma (ou plus souvent appelé le "temps de rétention") peuvent être compensés en augmentant la taille du réacteur. Cependant, malgré la réalisation symbolique, le 2X-IIB était très loin de ce qu'on pourrait appeler un réacteur - la puissance théorique allouée serait de 0,1% du plasma dépensé pour le maintien et le chauffage. Un problème grave restait la basse température des électrons - de l'ordre de 90 eV sur un fond de 10 kev, associée àd'une manière ou d'une autre, les électrons se sont refroidis contre les parois de la chambre à vide dans laquelle se trouve le piège.


Éléments du piège ambipolaire aujourd'hui disparu AMBAL-M

Au début des années 80, le développement de cette branche du TCB a connu un pic. Le point culminant du développement est le projet US MFTF d'une valeur de 372 millions de dollars (ou 820 millions aux prix actuels, ce qui rapproche le projet en valeur d'une machine comme le Wendelstein 7-X ou le tokamak K-STAR).


Les modules magnétiques supraconducteurs du MFTF ...


Et le boîtier de son aimant supraconducteur de 400 tonnes

C'était un piège ambipolaire avec des aimants supraconducteurs, y compris terminal chef-d'œuvre «yin-yang», de nombreux systèmes et diagnostics de plasma chauffant, un record à tous égards. Il était prévu d'atteindre Q = 0,5, c'est-à-dire la production d'énergie de la réaction thermonucléaire ne représente que la moitié du coût de maintien en fonctionnement du réacteur. Quels résultats ce programme a-t-il obtenus? Il a été clôturé par une décision politique dans un état proche du lancement.


Le terminal "Yin-Yang" MFTF lors de l'installation dans une chambre à vide de 10 mètres de l'installation. Sa longueur devait atteindre 60 mètres.

Malgré le fait que cette décision, choquante de toutes parts, soit très difficile à expliquer, je vais essayer.
En 1986, lorsque la MFTF était prête à se lancer à l'horizon des concepts TCB, une étoile d'un autre favori a été allumée. Une alternative simple et bon marché aux pièges ouverts «bronzés», qui à cette époque étaient devenus trop complexes et coûteux dans le contexte du concept initial du début des années 60. Tous ces aimants supraconducteurs de configurations de puzzle, injecteurs neutres rapides, puissants systèmes de chauffage par plasma à radiofréquence, schémas de suppression d'instabilité de puzzle - il semblait que de telles installations complexes ne deviendront jamais le prototype d'une centrale thermonucléaire.


JET dans la configuration limitée initiale et les bobines de cuivre.

Alors tokamaki. Au début des années 80, ces machines ont atteint des paramètres plasmatiques suffisants pour brûler une réaction thermonucléaire. En 1984, le tokamak JET européen a été lancé, qui devrait afficher Q = 1, et il utilise de simples aimants en cuivre, son coût n'est que de 180 millions de dollars. En URSS et en France, des tokamaks supraconducteurs sont en cours de conception, qui ne dépensent presque pas d'énergie pour le fonctionnement du système magnétique. Dans le même temps, les physiciens travaillant sur des pièges ouverts pendant des années ne peuvent pas progresser dans l'augmentation de la stabilité du plasma, de la température des électrons et les promesses de réalisations MFTF deviennent de plus en plus vagues. Soit dit en passant, les prochaines décennies montreront que le pari sur les tokamaks s'est avéré relativement justifié - ce sont ces pièges qui ont atteint le niveau des capacités et du Q, intéressant pour les ingénieurs de puissance.


Le succès des pièges ouverts et des tokamaks au début des années 80 sur la carte du «triple paramètre». JET atteindra un point légèrement supérieur à TFTR 1983 en 1997.

La décision de la MFTF sape finalement la position de ce domaine. Bien que des expériences à l'INP de Novossibirsk et à l'installation japonaise Gamma-10 soient en cours, des programmes très réussis des prédécesseurs TMX et 2X-IIB sont en cours de fermeture aux États-Unis.
La fin de l'histoire? Non. Littéralement sous nos yeux, en 2015, une révolution silencieuse étonnante se déroule. Chercheurs de l'Institut de physique nucléaire. Les Budkers de Novossibirsk, qui ont successivement amélioré le piège GDL (à propos, il convient de noter que les pièges ambipolaires plutôt que dynamiques au gaz étaient supérieurs en Occident) atteignent soudainement des paramètres plasmatiques qui étaient prédits comme «impossibles» par les sceptiques des années 80.


Encore une fois GDL. Les cylindres verts qui sortent dans différentes directions sont des injecteurs neutres, qui sont discutés ci-dessous.

Les trois principaux problèmes qui ont enterré les pièges ouverts sont la stabilité du MHD dans une configuration axisymétrique (nécessitant des aimants complexes), la fonction de distribution des ions hors équilibre (micro-instabilité) et la basse température des électrons. En 2015, le GDL, avec une valeur bêta de 0,6, a atteint une température électronique de 1 keV. Comment est-ce arrivé?
Éviter la symétrie axiale (cylindrique) dans les années 60 pour tenter de vaincre la flûte et d'autres instabilités MHD du plasma, en plus de compliquer les systèmes magnétiques, a également entraîné une augmentation de la perte de chaleur radiale du plasma. Un groupe de scientifiques travaillant avec GDL a utilisé l'idée des années 80 pour appliquer un champ électrique radial, créant un plasma tourbillonnant. Cette approche a mené à une brillante victoire - à la bêta 0,6 (je rappelle que ce rapport de la pression du plasma à la pression du champ magnétique est un paramètre très important dans la conception de tout réacteur thermonucléaire - parce que la vitesse et la densité de libération d'énergie sont déterminées par la pression du plasma, et le coût du réacteur est déterminé puissance de ses aimants), par rapport au tokamak 0,05-0,1 plasma est stable.


De nouveaux instruments de mesure - «diagnostic», permettent une meilleure compréhension de la physique des plasmas en GDL

Le deuxième problème avec les micro-instabilités, causé par le manque d'ions à basse température (qui sont tirés des extrémités du piège par le potentiel ambipolaire), a été résolu en inclinant les injecteurs de rayons neutres en biais. Cette disposition crée des pics de densité ionique le long du piège à plasma, qui retardent la sortie des ions «chauds». Une solution relativement simple conduit à la suppression complète des micro-instabilités et à une amélioration significative des paramètres de confinement du plasma.


Flux de neutrons provenant de la combustion thermonucléaire du deutérium dans le piège GDL. Points noirs - mesures, lignes - différentes valeurs calculées pour différents niveaux de micro-instabilités. Ligne rouge - micro-instabilité supprimée.

Enfin, le principal «fossoyeur» est la basse température des électrons. Bien que des paramètres thermonucléaires aient été atteints pour les ions dans les pièges, une température élevée des électrons est la clé pour empêcher les ions chauds de se refroidir, et donc une valeur Q élevée. La raison de la basse température est la conductivité thermique élevée «le long» et le potentiel ambipolaire, qui aspire les électrons «froids» des expanseurs aux extrémités pièges à l'intérieur du système magnétique. Jusqu'en 2014, la température des électrons dans les pièges ouverts ne dépassait pas 300 eV, et la valeur psychologiquement importante de 1 kV était obtenue dans le GDL. Il a été obtenu grâce au travail fin avec la physique de l'interaction des électrons dans les expanseurs terminaux avec un gaz neutre et des absorbeurs de plasma.
Cela bouleverse la situation. Désormais, de simples pièges menacent à nouveau la primauté des tokamaks, qui ont atteint des tailles et une complexité monstrueuses ( plusieurs exemples de la complexité des systèmes ITER). De plus, cette opinion n'est pas seulement celle de scientifiques de l'INP, mais aussi de scientifiques américains sérieux , publiés dans des revues faisant autorité. Plus GDL fermer. Merci pour les photos dedmaxopka Jusqu'à présent, cependant, le succès du GDL a conduit à de nouvelles propositions d'installations uniquement à l'INP lui-même. Ayant remporté une subvention du ministère de l'Éducation et des Sciences à 650 millions de roubles, l'institut construira plusieurs stands d'ingénierie dans le cadre du recteur prometteur " GDML-U




", combinant les idées et les réalisations de GDF et un moyen d'améliorer la rétention longitudinale du GOL. Bien que sous l'influence de nouveaux résultats, l'image de GDFM change, mais elle reste l'idée principale dans le domaine des pièges ouverts.



Où sont les développements actuels et futurs par rapport aux concurrents? Tokamaki, comme vous le savez, a atteint valeurs de Q = 1, ils ont résolu de nombreux problèmes d'ingénierie, je me tournerai vers la construction d'installations nucléaires plutôt qu'électriques et m'orienter en toute confiance vers le prototype d'un réacteur à énergie avec Q = 10 et une puissance thermonucléaire jusqu'à 700 MW (ITER). tori, à la traîne quelques étapes vont de l'étude de la physique fondamentale et la résolution des problèmes d'ingénierie avec Q = 0,1, mais il ne risque pas d'aller sur le terrain vraiment des installations nucléaires combustion thermonucléaire du tritium. GDML-U pourrait être similaire à la stellarator W-7Xpar les paramètres du plasma (étant toutefois une installation pulsée avec une durée de décharge de plusieurs secondes par rapport au fonctionnement d'une demi-heure du W-7X à l'avenir), cependant, en raison de la géométrie simple, son coût peut être plusieurs fois inférieur à celui du stellarateur allemand.


Évaluation INP.

Il existe des options pour utiliser le GDMF en tant qu'installation pour étudier l'interaction du plasma et des matériaux (il existe cependant beaucoup de telles installations dans le monde) et en tant que source thermonucléaire de neutrons à diverses fins.


Extrapolation des tailles GDMF en fonction du Q souhaité et des applications possibles.

Si demain les pièges ouverts redeviennent les favoris de la course au TCB, on pourrait s'attendre à ce qu'en raison de la baisse des investissements en capital à chaque étape, ils rattrapent et dépassent les tokamaks d'ici 2050, devenant ainsi le cœur des premières centrales thermonucléaires. A moins que le plasma ne présente de nouvelles surprises désagréables ...

Source: https://habr.com/ru/post/fr391541/