Tri Alpha Plasma Vortex Fusion Reactor

Seperti yang Anda tahu, reaksi termonuklear dari campuran deuterium-tritium akan berlangsung bahkan pada suhu kamar, terlalu lambat untuk menarik perhatian. Untuk mencapai pelepasan energi industri (1-10 megawatt per meter kubik), perlu dibuat kondisi untuk kurungan plasma dengan suhu 100-200 juta derajat dan kepadatan 1 ... 2 * 10 ^ 20 partikel per meter kubik. Pada sekitar parameter ini, sistem mulai menyeimbangkan diri sendiri (dalam tokamaks) - pelepasan energi dibandingkan dengan kebocoran dan biaya pemanasan bagian baru bahan bakar. Angka-angka ekstrem ini merupakan zona yang menarik bagi semua pengembang reaktor termonuklir, dan pencapaian mereka adalah tugas puluhan tahun untuk mengembangkan konsep fusi termonuklir terkendali (TCF).


Perangkap terbuka GDL — . . .


Seperti yang saya tulis dalam program pendidikan fisika tokamak , masalah utama plasma semacam itu adalah kebocoran panas darinya. Mereka mencoba untuk memecahkan masalah ini dengan dua cara - dengan menciptakan jebakan magnetik volume besar (yang utama adalah ITER), di mana pemanasan eksternal dan internal sama dengan pendinginan dalam instalasi berdenyut, di mana plasma yang dikompresi menjadi parameter termonuklir terbakar begitu hebat sehingga melepaskan energi termonuklir yang cukup untuk milidetik yang keren. Namun, untuk rejim seperti itu, plasma harus dipanaskan lebih banyak dan dikompres lebih banyak (walaupun sebentar) daripada di perangkap magnetik permanen. Kemajuan di jalan ini bahkan lebih menyedihkan daripada dengan tokamak karena ketidakstabilan mendasar dari plasma, yang, ketika dikompresi, "menyelinap" keluar dari bidang tekan dan menghilang, kehilangan suhu dan kepadatan.


Misalnya, salah satu opsi paling canggih untuk TCB berdenyut adalah MagLIF .

Dalam upaya untuk mengikuti jalur ini, para peneliti di tahun 70-an menarik perhatian pada vortisitas plasma, yang disebut FRCs (konfigurasi yang dibalikkan di lapangan), mirip dengan struktur pada cincin-cincin asap tembakau.


Vortex plasma FRC dengan medan poloid magnetik beku-biru (biru), "spontan" dalam medan magnet longitudinal (hijau).

Mereka ternyata formasi yang stabil dan lama bermain. Mereka mudah dikelola - mempercepat, memampatkan, menggabungkan dan memisahkan. Selain itu, mereka memiliki keunggulan yang sangat penting - tekanan medan magnet beku mereka sendiri dekat dengan tekanan plasma, yaitu desainnya sangat cocok untuk dengan mudah mencapai parameter suhu dan tekanan tinggi. Sekarang, bersama dengan pembentukan plasma z-pinch sederhana yang dapat dikontrak sendiri, mereka sering menjadi tamu dalam ide-ide reaktor termonuklir berdenyut ... Di mana formasi plasma lainnya dihancurkan oleh ketidakstabilan atau hanya terdispersi dalam ruang selama kompresi, FRC menjanjikan manfaat nyata.


FRC dapat ditemukan di banyak reaktor. Misalnya, dalam Eksperimen Plasma Liner dari Laboratorium Nasional Los Alamos.

Pada tahun 1997, Amerika Serikat mengusulkan konsep Colliding Beam Fusion Reactor (CBFR), sirkuit berdenyut di mana dua vortisitas plasma tipe FRC yang bertabrakan bertabrakan dan dikompresi di tengah mesin oleh medan magnet berdenyut, membentuk plasma dengan kepadatan dan suhu yang cukup untuk menyalakan reaksi termonuklir. Pada saat yang sama, penggunaan FRC memastikan bahwa plasma ini akan bertahan dalam kondisi pembakaran reaksi termonuklir yang cukup untuk energi fusi yang dialokasikan cukup untuk operasi pembangkit listrik yang hemat biaya, termasuk biaya operasi CBFR itu sendiri. Tentu saja, jika konsep dan perhitungan penulis sepenuhnya benar.


Jadi pada tahun 90an mereka menggambar generator 100 megawatt berdasarkan pada dua reaktor pulsa 50-megawatt CBFR.


CBFR: 2 FRC . .

Berdasarkan konsep ini, beberapa startup segera mengembangkan ide CBFR. Lebih sukses dalam hal mengumpulkan uang adalah Helion Energy dan Tri Aplha Energy. Yang pertama mencoba membuat reaktor berdasarkan reaksi D + He3, menyatakan bahwa mereka mendapatkan suhu 5 kV, bidang 100 T dan masa pakai 1 ms pada prototipe mereka. Kepadatan plasma mereka tidak diketahui, tetapi dengan asumsi bahwa 10 ^ 20 partikel per meter kubik sering untuk percobaan tersebut, itu 100 kali lebih buruk daripada titik impas (output energi sama dengan biaya pemanasan dan kompresi, tanpa memperhitungkan biaya pemasangan) untuk reaksi D + T, dan sekitar 50.000 kali lebih buruk daripada yang dibutuhkan untuk reaktor yang berfungsi. Namun, peralatan di mana mereka tampaknya telah mencapai nilai-nilai ini membuat orang meragukan angka yang diklaim.


Bantuan instalasi laboratorium.

Namun, pesaing mereka Tri Alpha (yang didirikan oleh pengembang konsep CBFR Norman Rostoker dan Hendrik Monkhorst) memiliki ambisi besar - untuk menggunakan reaksi p + B yang paling kompleks untuk energi termonuklir dan reaktor yang lebih besar untuk mengimplementasikan ide-ide ini dan 150 karyawan.


Di ruang kendali prototipe reaktor Tri Alpha.

Keuntungan dari reaksi yang dipilih adalah tidak adanya neutron yang mengaktifkan reaktor dan mengubahnya menjadi objek nuklir, dan pasokan sumber yang tidak terbatas (tidak seperti litium untuk reaksi D + T atau helium-3 yang sebenarnya tidak ada di tanah untuk He3 + D). Kerugiannya adalah lebih banyak (60 kali) kondisi pembakaran plasma yang keras, dan masalah besar dengan radiasi gamma palsu.


Secara konsep, TAE menggunakan reaktor yang sama dengan Helion, hanya 10 kali lebih banyak.


Keadaan instalasi saat ini. Injektor pulsa partikel netral terlihat (barel abu-abu di sekitar reaktor).

Warga California Tri Alpha telah mengumpulkan lebih dari $ 100 juta investasi (termasuk dari RUSNANO (!), Oleh karena itu A. Chubais adalah salah satu anggota dewan direksi perusahaan, dan perusahaan menempatkan pesanan untuk peralatan di Rusia), yang memungkinkan mereka untuk menggunakan banyak lebih besar dari skala laboratorium. Prototipe 23 meter dari reaktor “C2” agak mirip dengan perangkap INP terbuka (seperti pada foto pertama) - sebuah pipa yang dibungkus dengan satu set solenoida di tepi yang dihasilkan dalam vortisitas FRC dan berakselerasi hingga 250 km / s di tengah.


Di dalam ruang pusat C2.

Secara umum, ini adalah instalasi agak maju yang menggunakan titanium getter untuk menghasilkan vakum ultra-tinggi, injector megawatt netral berdenyut ( diproduksi oleh Novosibirsk INP ) yang menciptakan profil kepadatan ion yang diperlukan dalam reaktor, quadrupole elektroda berdenyut untuk memerangi ketidakstabilan kinetik, dan banyak instrumen untuk mendiagnosis fisika dari fenomena yang terjadi.


Satu set alat diagnostik dalam instalasi C2.

Dengan demikian, instalasi mendekati tokamak canggih di akhir 70-an dalam hal kompleksitas dan tugas, namun, berbeda dengan ilmu besar (sebagian militer) yang didanai oleh negara, ini adalah sepenuhnya milik pribadi.


Close-up injektor netral pulsa Novosibirsk.

Pada 2015, Tri Alpha mengumumkan bahwa dalam beberapa tahun terakhir mereka telah berhasil meningkatkan waktu kurungan plasma sebanyak 10 kali (hingga 5 ms), waktu yang dibatasi oleh panjang pulsa sistem NBI dan sekarang mereka melihat jalur yang jelas untuk memasang “C3” skala besar, yang akan selesai pada 2017. Direncanakan untuk mencapai tingkat yang cukup untuk titik impas D + T (secara teoritis, karena pemasangan hanya akan bekerja pada deuterium, tanpa menggunakan tritium) dengan suhu plasma 100 juta derajat (10 kev) dan waktu retensi 1 detik. Sampai saat ini, level ini telah dicapai dalam dua tokamaks - JET Eropa dan Jepang JT-60U, namun, kedua proyek ini menelan biaya setidaknya satu miliar dolar, dan diciptakan bersama oleh beberapa negara.


Tokamak JT-60SA saat pembongkaran. Menariknya, kolom abu-abu di sebelah kiri juga merupakan penyuntik sinar netral, seperti pada C2.

Rencana TAE lebih lanjut tidak diketahui. Perusahaan sama sekali tidak menyukai publisitas (bahkan tidak memiliki situs web). Seperti dalam kasus reaktor perangkap terbuka, di masa depan ia direncanakan untuk mengekstraksi energi dengan konversi langsung - untuk memperlambat ion dan elektron dan membuat hubungan pendek di kutub dari perangkat khusus. Efisiensi dan khususnya harga metode semacam itu jauh lebih baik daripada konverter penghasil turbin termal tradisional. Ada proposal untuk penggunaan mesin seperti mesin jet untuk pesawat ruang angkasa (hi Wiverjet!). Sejauh ini, dapat dikatakan bahwa dari semua konsep alternatif, ini adalah salah satu yang paling menjanjikan, tetapi kuburan raksasa konsep yang menjanjikan dari reaktor termonuklir yang ada saat ini membuat kita merujuk pada startup ini dengan sejumlah skeptisisme. Nah, hanya dalam beberapa tahun, kita akan melihat kelahiran energi termonuklir (saya juga akan mengingatkan Anda tentang General Fusion ), atau matahari terbenam memalukan dari startup lain yang menjanjikan.

Source: https://habr.com/ru/post/id384089/