Tokamak de démarrage thermonucléaire

Un site populaire sur l'actualité atomique World Nuclear News écrit sur le lancement (premier plasma) du tokamak ST40, propriété de la société privée anglaise Tokamak Energy. La nouvelle est assez intéressante, surtout si vous connaissez le contexte que je vais essayer de présenter.


Fondateur de Tokamak Energy Alan Sykes près de ST-40 à l'échelle 1: 1.

Tokamak Energy (TE) a été fondée en 2009 (à côté du plus grand tokamak JET au monde aujourd'hui), et depuis 2012 a reçu un financement (aujourd'hui la startup a levé 35 millions de dollars) pour la construction d'une série de tokamaks menant à un réacteur à énergie. Dans le contexte d'ITER d'une valeur de plus de 20 milliards de dollars, ne menant pas à un réacteur à énergie, cela semble étrange? Faisons les choses correctement.

Le principal problème de la fusion thermonucléaire n'est pas d'obtenir une réaction thermonucléaire, mais que le réacteur dans lequel nous la conduisons soit de taille raisonnable. Presque n'importe quel concept de fusion fonctionne si vous augmentez la taille du réacteur en kilomètres et la puissance en térawatts, mais de telles conceptions ne sont pas applicables dans la vie réelle. L'essence du travail des plasmistes dans la recherche de telles configurations et tailles de plasma thermonucléaire pour lesquelles sa taille sera minimale avec une complication raisonnable de la conception du réacteur (par exemple, les systèmes de chauffage).


Vidéo de Tokamak Energy sur le "premier plasma" ST40. Dans le cadre - une chambre à vide tokamak, avec un système de chauffage pour la cuisson, il n'y a pas de système magnétique. Une belle lueur verte - une décharge luminescente pour nettoyer les parois de la chambre, pas directement liée au plasma thermonucléaire

Les tokamaks sphériques vous permettent simplement de réduire la taille du cordon plasma à la même puissance thermonucléaire, ce qui réduit formellement le coût du réacteur. La base théorique de cela est connue depuis 1986 (date de publication du premier article) et confirmée expérimentalement dans les années 90. J'ai écrit plus à ce sujet dans un article sur un nouveau tokamak russe , également sphérique.


Montage de la chambre à vide ST40. Dans ITER, il s'agirait simplement, disons, d'un conteneur pour stocker l'eau industrielle, pas plus :).

En fait, Tokamak Energy tente de commercialiser cette découverte de plasmistes il y a vingt ans. Sur le chemin de cela, il y a de nombreuses difficultés d'ingénierie, dont certaines semblent insurmontables ou, en tout cas, ne peuvent être surmontées pour un prix raisonnable. C’est pourquoi les nouvelles concernant la progression de TE sont mitigées. il est clair que tous ces succès se termineront à un moment donné.

À l'heure actuelle, les atouts de TE comprennent le lancement d'un très petit tokamak (en fait de bureau) ST-25, puis sa conversion en supraconducteurs à haute température, avec un record de conservation du plasma dans un tokamak pendant 29 heures (vrai, plasma, très bas pour les paramètres de température et de densité thermonucléaires) ) Le prochain tokamak, qui a été lancé le 28 avril, est déjà beaucoup plus grave. Si grave que cela vous fait croire que des difficultés d'ingénierie insurmontables sont surmontables.


À l'avenir, la conception du tokamak sera immergée dans un grand récipient à vide pour l'isolation thermique - un cryostat. À l'intérieur, il y a un système magnétique en cuivre de bobines toroïdales et poloïdales, à l'intérieur duquel se trouve une chambre à vide en tokamak. Une caractéristique technique importante est les bobines de fusion-compression, qui résolvent le problème de volume insuffisant dans la colonne centrale pour le solénoïde central.

Donc, ST40. Il s'agit d'une machine purement de recherche, qui devrait devenir l'une des étapes intermédiaires sur le chemin du prototype énergétique ST185 (qui sera construit selon le plan en 2025, dont il existe au final de très sérieux doutes). Un tokamak sphérique avec un rayon de cordon de plasma de seulement 40 cm, une chambre à vide de 1,5 x 2,2 mètres - une miette sur fond de voitures sérieuses. Une fois terminé, il devrait atteindre les paramètres du plasma avec Q = 1 ... 2 (et, par conséquent, une température de 10 keV, également un record pour de si petites tailles), où Q est le rapport entre la puissance thermonucléaire et le chauffage. Permettez-moi de vous rappeler qu'aujourd'hui le record Q = 1.2 pour le tokamak JT-60U avec un volume de plasma est des dizaines de fois plus grand, et situé près du ST40 JET, également avec un volume de plasma 40 fois plus grand, seul Q = 0,7 à la fois atteint. En fait, si les paramètres calculés du ST40 sont confirmés, ce sera une percée incroyable pour les tokamaks.


Simulation du rendement neutronique ST40 pour le plasma DT par différentes méthodes. Le recalcul à partir des paramètres d'un autre tokamak sphérique MAST donne environ 3 mégawatts de puissance thermonucléaire à 2 mégawatts de chauffage, soit Q ~ 1,5, cependant, le résultat peut être pire.

Qu'est-ce qui distingue exactement le ST40 de ses prédécesseurs? Il s'agit d'un tokamak sphérique avec un champ suffisamment puissant de 3 Tesla (il convient de noter qu'il s'agit d'un record parmi les tokamaks sphériques), optimisé autant que possible pour obtenir un Q. élevé Un champ élevé est une réalisation en soi. Le problème avec les tokamaks sphériques est que la physique nécessite une colonne centrale d'un diamètre aussi petit que possible (pour rapprocher le plus possible la forme du plasma de la sphère), ce qui signifie la zone minimale pour les arcs internes des bobines toroïdales et du solénoïde central. Le courant des bobines toroïdales détermine la force du champ, malgré le fait que la densité de courant ne peut pas être supérieure à certains paramètres, qui est pour un cuivre et pour un système supraconducteur. Le solénoïde central, à son tour, est nécessaire pour le pompage primaire de l'énergie du plasma, et sa taille est également limitée de manière assez rigide par le bas.



Conducteurs en cuivre de bobines de champ toroïdal et d'une colonne centrale. 24 tours en forme de D regroupés en 3 (photo du bas à gauche) au premier étage lors des lancements pendant 1 ... 10 secondes conduisent un courant d'environ 100 kA

Il s'avère que les restrictions d'ingénierie dictent soit un champ bas dans un tokamak sphérique ... soit un rejet de l'approche standard du lancement. Le ST40 utilise une nouvelle méthode pour démarrer le chauffage au plasma et la génération de courant annulaire - compression et reconnexion des lignes magnétiques. Ce phénomène est responsable des éruptions solaires et peut très bien réchauffer le plasma. L'efficacité de cette approche n'est pas claire, et c'est la première tâche du ST40 - il apprendra à démarrer un courant plasma sans utiliser un solénoïde central (le petit DC dans la conception ST40 reste toujours à maintenir un profil de courant plat pendant le démarrage, mais son volume est environ 10 fois inférieur à celui du classique régime).


La reconnexion magnétique est un phénomène de reconfiguration d'un champ magnétique lorsque deux tubes de champ de sens opposés "court-circuitent" et disparaissent en libérant de l'énergie. Dans l'image, ce sont les tubes externes des domaines «entrants», et l'énergie est libérée dans les directions des flèches verticales.


La deuxième solution d'ingénierie pour tenter de dépasser les limites est d'utiliser un système de cuivre refroidi à la température de l'azote liquide. Cela réduit la résistance du cuivre de 20 à 30 fois et vous permet d'augmenter la densité de courant de dizaines de fois. L'astuce qui permettra au petit ST40 de rattraper les grosses machines coûteuses en termes de Q et de puissance thermonucléaire est une impasse - une telle solution ne permet pas de passer à un tokamak qui fonctionne pendant plus de 10 secondes. Les TE reposent ici sur la supraconductivité à haute température, cependant, la densité d'ingénierie requise dans la colonne centrale de courant (au moins 100 ampères par millimètre carré) est assez difficile à atteindre, compte tenu du volume occupé par l'isolation électrique et thermique, la protection neutronique, le composant structurel, etc. Par exemple, dans les aimants toroïdaux ITER, la densité de courant d'ingénierie n'est que de 11 A / mm ^ 2. C'est l'un des obstacles les plus difficiles aux tokamaks sphériques, et la façon dont Tokamak Energy le résoudra est inconnue.


Anneau pour fixer les bobines de reconnexion à compression à l'intérieur de la chambre à vide ST40. Les ingénieurs de Tokamak Energy ont déjà fait face à un problème dans le monde des aimants thermonucléaires - les grandes forces déformantes du moteur à étang, mais pour le prototype énergétique, ces forces augmenteront d'un ordre de grandeur.

Comme je l'ai dit, ce projet évoque des sentiments mitigés. L'un d'eux est la surprise inconditionnelle et même l'enthousiasme pour les paramètres d'une petite installation thermonucléaire, ce qui en théorie met les tokamaks les plus sérieux avec un financement public de centaines de millions de dollars dans une ceinture. Le deuxième sentiment est la déception de la réalité.

En réalité, le «lancement» ST40 n'est qu'un ensemble d'aspiration et de nettoyage des surfaces internes par une décharge luminescente au plasma de lithium (belle couleur verte). Le système magnétique n'a pas encore été assemblé et monté sur une chambre à vide, même dans la configuration la plus simple, bien que selon les plans d'il y a un an, cela aurait dû se produire au tournant des 16/17 ans. Avant les registres de fermeture des ceintures JET et JT-60U, l'installation doit encore subir plusieurs mises à niveau sérieuses (installation d'un cryostat autour du tokamak, création d'un système de refroidissement à l'azote liquide pour les aimants, mise à niveau du système d'alimentation électrique des aimants jusqu'à dix fois la quantité d'énergie stockée, installation d'injecteurs à faisceau neutre, etc. .) - à un tel rythme de travail, seules ces tâches peuvent durer jusqu'en 2025.


Bien que la chambre à vide ST40 ne soit pas un produit aussi simple, sa complexité est bien inférieure à celle de l'ensemble de l'installation, sans parler du "ST *" supraconducteur ultérieur. Les ingénieurs TE n'en sont donc qu'au début.

La «puissance thermonucléaire», dont nous discutons lorsque nous parlons de Q, dans le cas de ST40 sera également légèrement virtuelle, convertie de la sortie neutronique du plasma DD (avec laquelle ST40 fonctionnera réellement) en DT (cependant, cette conversion de la puissance neutronique est assez simple) . Cela est dû au fait que travailler avec du tritium signifie une classe d'installation complètement différente avec de nombreuses années d'obtention d'une licence pour celui-ci auprès d'un régulateur atomique et très probablement avec la construction d'un complexe spécial de bâtiments. TE mène peut-être déjà ce travail pour obtenir d'autres licences nucléaires, sinon pour la prochaine voiture, mais jusqu'à présent, cela n'est en aucune façon annoncé, il n'est pas visible dans les solutions d'ingénierie et les plans de la campagne. À savoir, la composante nucléaire des tokamaks est une sorte d'Everest, sur laquelle très peu de projets peuvent grimper - c'est très difficile, très cher et dangereux. La composante nucléaire détermine en fin de compte le coût et l'apparence technique de la centrale électrique, et «l'oublier» signifie oublier environ 50% de la complexité et de la complexité.

Ces réflexions nous amènent en douceur à la question à laquelle je n'ai pas de réponse - qui et pourquoi investit aujourd'hui dans des startups de fusion à travers le monde? La dernière décennie a vu un essor clair de tels projets - Tokamak Energy, Tri Alpha Energy , General Fusion , Helion Energy et d'autres , malgré le fait que le marché de l'électricité est déprimé et que la construction de nouvelles centrales électriques de tout type ne soit pas rentable sans subventions, à l'exception des pays en développement. Si Tri Alpha développe l'idée d'installer une fusion sans neutrons, ce qui peut ne pas nécessiter de licence, et General Fusion espère que l'idée d'une fusion «low-tech» fonctionnera, alors pour les schémas plus ou moins traditionnels, il est difficile d'imaginer comment vous pouvez payer pour cela - de la même manière combien il est difficile d'imaginer le retour sur investissement d'un «réacteur nucléaire dans chaque maison», malgré la faisabilité technique d'une telle installation.

Soit les investisseurs sont toujours dans le paradigme des années 60 ... 70, soit ils espèrent de nouveaux marchés (par exemple, en remplaçant les centrales au charbon dans le but de réduire les émissions de CO2), ou la psychologie du risque fait d'investir dans tous les projets à grande échelle (et le marché de l'électricité est toujours l'un des plus importants). Cependant, le fait demeure que dans le monde moderne, il y a de l'argent qui vous permet de vérifier de nombreuses idées "perpendiculaires" dans le fer, et peut-être que l'une d'entre elles donnera la première énergie thermonucléaire avant même que ITER n'atteigne sa pleine capacité.

PS Nous avons utilisé des photos de l' instagram Tokamak Energy , un article sur l'ingénierie et la base physique de ST40 et la «philosophie» physique du choix d'une taille de tokamak .