Revolusi termonuklir yang tenang

Mungkin tidak ada satu bidang aktivitas manusia yang begitu penuh kekecewaan dan pahlawan yang ditolak sebagai upaya untuk menciptakan energi termonuklir. Ratusan konsep reaktor, puluhan tim yang secara konsisten menjadi favorit publik dan anggaran negara, dan akhirnya semacam memutuskan pemenang dalam bentuk tokamaks. Dan di sini lagi, prestasi para ilmuwan Novosibirsk menghidupkan kembali minat di seluruh dunia dalam sebuah konsep yang diinjak-injak secara brutal di tahun 80-an. Dan sekarang lebih terinci.


Perangkap terbuka GDL dengan hasil yang mengesankan

Di antara berbagai macam proposal, cara mengekstrak energi dari fusi termonuklir paling berorientasi pada pengurungan stasioner dari plasma termonuklir yang relatif longgar. Misalnya, proyek ITER dan yang lebih luas - perangkap toroidal tokamaki dan stellarator - dari sini. Mereka toroidal karena itu adalah bentuk paling sederhana dari sebuah kapal tertutup dari medan magnet (karena teorema combing landakkapal bulat tidak dapat dibuat). Namun, pada awal penelitian di bidang fusi termonuklir terkendali, favorit bukan perangkap geometri tiga dimensi yang kompleks, tetapi upaya untuk menjaga plasma dalam apa yang disebut perangkap terbuka. Ini biasanya juga berbentuk pembuluh magnetik berbentuk silinder di mana plasma tertahan dengan baik ke arah radial dan mengalir dari kedua ujungnya. Gagasan para penemu sederhana di sini - jika pemanasan plasma baru dengan reaksi termonuklir berlangsung lebih cepat daripada aliran panas dari ujungnya, maka Tuhan memberkatinya, dengan keterbukaan kapal kami, energi akan dihasilkan, dan kebocoran masih akan terjadi di kapal vakum dan bahan bakar akan berjalan di reaktor sampai terbakar.


Ide jebakan terbuka adalah silinder magnetik dengan sumbat / cermin di ujungnya dan melebar di belakangnya.

Selain itu, di semua jebakan terbuka, satu atau beberapa metode lain digunakan untuk menghentikan plasma agar tidak keluar melalui ujung - dan yang paling sederhana di sini adalah untuk secara tajam meningkatkan medan magnet di ujungnya (letakkan "colokan" magnet di terminologi Rusia atau "mirror" di bagian barat), sementara partikel bermuatan insiden, pada kenyataannya, akan muncul dari cermin dan hanya sebagian kecil dari plasma yang akan melewatinya dan jatuh ke dalam ekspander khusus.


Dan gambaran yang sedikit kurang skematis tentang pahlawan wanita hari ini - ruang vakum ditambahkan di mana plasma terbang, dan semua peralatan lainnya.

Eksperimen pertama dengan perangkap "cermin" atau "terbuka" - Q-mentimun dimasukkan pada tahun 1955 di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore Amerika. Selama bertahun-tahun, laboratorium ini telah menjadi pemimpin dalam pengembangan konsep TCB berbasis open traps (OL).


Eksperimen pertama di dunia - perangkap terbuka dengan cermin magnetik Q-mentimun

Dibandingkan dengan pesaing tertutup, keunggulan OL dapat ditulis dengan geometri yang lebih sederhana dari reaktor dan sistem magnetiknya, yang berarti biaya rendah. Jadi, setelah jatuhnya favorit pertama reaktor TCB - Z-pinch, jebakan terbuka menerima prioritas dan pendanaan maksimum pada awal 60-an, karena menjanjikan solusi cepat dengan sedikit uang.


Awal 60-an, Table Top Trap

Namun, Z-pinch tidak mengundurkan diri secara kebetulan. Pemakamannya dikaitkan dengan manifestasi sifat plasma - ketidakstabilan yang menghancurkan formasi plasma ketika mencoba untuk menekan plasma dengan medan magnet. Dan fitur khusus ini, kurang dipelajari 50 tahun yang lalu, segera mulai mengganggu mengganggu eksperimen perangkap terbuka. Ketidakstabilan flute membuat sistem magnetik lebih rumit dengan memperkenalkan, selain solenoida bulat sederhana, "tongkat Joffe", "perangkap bisbol" dan "gulungan yin-yang" dan mengurangi rasio tekanan medan magnet terhadap tekanan plasma (parameter β).


Magnet superkonduktor "Baseball", Baseball II, pertengahan 70-an

Selain itu, kebocoran plasma berlangsung secara berbeda untuk partikel dengan energi yang berbeda, yang mengarah ke nonequilibrium plasma (yaitu, spektrum kecepatan partikel non-Maxwellian), yang menyebabkan sejumlah ketidakstabilan yang tidak menyenangkan. Ketidakstabilan ini, pada gilirannya, "mengayunkan" plasma mempercepat pelariannya melalui sel-sel cermin akhir. Pada akhir 60-an, versi sederhana dari perangkap terbuka mencapai batas suhu dan kepadatan plasma yang ditahan, dan jumlah ini jauh lebih kecil daripada yang dibutuhkan untuk reaksi termonuklir. Masalahnya terutama pada pendinginan longitudinal yang cepat dari elektron, yang kemudian kehilangan energi dan ion. Diperlukan ide-ide baru.


Perangkap Ambipolar TMX-U yang berhasil

Fisikawan mengusulkan solusi baru, terutama terkait dengan meningkatkan kurungan plasma longitudinal: kurungan ambipolar, perangkap bergelombang, dan perangkap dinamis gas.

• Pengurungan ambipolar didasarkan pada fakta bahwa elektron “bocor” keluar dari perangkap terbuka 28 kali lebih cepat daripada ion deuterium dan tritium, dan perbedaan potensial muncul di ujung perangkap - positif dari ion di dalam dan negatif di luar. Jika amplifikasi bidang dengan plasma padat dibuat di akhir pengaturan, maka potensi ambipolar dalam plasma padat akan menjaga konten yang kurang padat internal dari hamburan.
• Perangkap bergelombang menciptakan medan magnet "berusuk" di ujungnya, di mana ion berat terbang terpisah karena "gesekan" terhadap medan perangkap yang terkunci di "palung".
• , , “-”.

Yang menarik, semua konsep yang menjadi dasar dibangunnya fasilitas eksperimental ini membutuhkan komplikasi rekayasa perangkap terbuka. Pertama-tama, di sini untuk pertama kalinya dalam akselerator berkas-neutron kompleks TCB tampak bahwa panas plasma (pada instalasi pertama, pemanasan dicapai dengan pelepasan listrik konvensional) dan memodulasi kepadatannya dalam instalasi. Pemanasan frekuensi radio, yang pertama kali muncul pada pergantian 60-an / 70-an di tokamaks, ditambahkan. Unit Gamma-10 yang besar dan mahal sedang dibangun di Jepang, TMX di AS, AMBAL-M, GOL dan GDL di Novosibirsk INP.


Sistem magnetik Gamma-10 dan diagram pemanas plasma menggambarkan dengan baik seberapa jauh mereka telah beralih dari solusi OL sederhana ke tahun 80-an.

Secara paralel, pada tahun 1975, pada perangkap 2X-IIB, peneliti Amerika adalah yang pertama di dunia yang mencapai suhu ion simbolis 10 kV, yang optimal untuk pembakaran termonuklir deuterium dan tritium. Perlu dicatat bahwa pada 60-an dan 70-an mereka pergi di bawah tanda pengejaran suhu yang diinginkan dengan cara apa pun, karena suhu menentukan apakah reaktor akan bekerja sama sekali, sementara dua parameter lainnya - kepadatan dan tingkat kebocoran energi dari plasma (atau lebih sering disebut "waktu retensi") dapat dikompensasi dengan meningkatkan ukuran reaktor. Namun, terlepas dari pencapaian simbolis, 2X-IIB sangat jauh dari apa yang disebut reaktor - kekuatan teoretis yang dialokasikan adalah 0,1% dari plasma yang dihabiskan untuk memegang dan memanaskan. Masalah serius tetap pada suhu elektron yang rendah - sekitar 90 eV dengan latar 10 ion, terkait dengandengan satu atau lain cara, elektron mendingin pada dinding ruang hampa udara di mana jebakan berada.


Elemen-elemen dari perangkap ambipolar yang sekarang tidak berfungsi AMBAL-M

Pada awal tahun 80-an, ada puncak dalam pengembangan cabang TCB ini. Puncak pengembangan adalah proyek MFTF AS senilai $ 372 juta (atau 820 juta pada harga saat ini, yang membawa nilai proyek lebih dekat ke mesin seperti Wendelstein 7-X atau tokamak K-STAR).


Modul magnetik superkonduktor MFTF ...


Dan bodi dari magnet superkonduktor berkekuatan 400 ton

Itu adalah perangkap ambipolar dengan magnet superkonduktor, termasuk terminal masterpiece "yin-yang", berbagai sistem dan pemanasan diagnostik plasma, sebuah rekor dalam semua hal. Direncanakan untuk mencapai Q = 0,5, yaitu keluaran energi dari reaksi termonuklir hanya setengah dari biaya untuk mempertahankan operasi reaktor. Apa hasil yang dicapai program ini? Itu ditutup oleh keputusan politik dalam keadaan dekat siap untuk diluncurkan.


Terminal "Yin-Yang" MFTF selama instalasi di ruang vakum 10 meter dari instalasi. Panjangnya mencapai 60 meter.

Terlepas dari kenyataan bahwa keputusan ini, mengejutkan dari semua pihak, sangat sulit untuk dijelaskan, saya akan mencoba.
Pada tahun 1986, ketika MFTF siap diluncurkan di cakrawala konsep-konsep TCB, bintang favorit lain pun menyala. Sebuah alternatif sederhana dan murah untuk perangkap terbuka “perunggu”, yang pada saat ini telah menjadi terlalu rumit dan mahal dengan latar belakang konsep awal awal 60-an. Semua ini superkonduktor magnet konfigurasi teka-teki, injektor netral cepat, sistem pemanas plasma frekuensi radio yang kuat, skema ketidakstabilan teka-teki - sepertinya instalasi yang rumit seperti itu tidak akan pernah menjadi prototipe pembangkit listrik termonuklir.


JET dalam konfigurasi terbatas awal dan gulungan tembaga.

Jadi tokamaki. Pada awal 80-an, mesin-mesin ini mencapai parameter plasma yang cukup untuk membakar reaksi termonuklir. Pada tahun 1984, tokamak JET Eropa diluncurkan, yang seharusnya menunjukkan Q = 1, dan menggunakan magnet tembaga sederhana, biayanya hanya 180 juta dolar. Di Uni Soviet dan Perancis, tokamak superkonduktor sedang dirancang, yang hampir tidak menghabiskan energi untuk pengoperasian sistem magnetik. Pada saat yang sama, fisikawan yang bekerja pada perangkap terbuka selama bertahun-tahun tidak dapat membuat kemajuan dalam meningkatkan stabilitas plasma, suhu elektron, dan janji-janji pencapaian MFTF menjadi semakin kabur. Dekade berikutnya, omong-omong, akan menunjukkan bahwa taruhan pada tokamaks ternyata relatif dibenarkan - jebakan inilah yang mencapai tingkat kapasitas dan Q, menarik bagi insinyur listrik.


Keberhasilan perangkap terbuka dan tokamaks pada awal tahun 80-an di peta "parameter tiga". JET akan mencapai titik sedikit di atas TFTR 1983 pada tahun 1997.

Keputusan MFTF akhirnya merusak posisi area ini. Meskipun percobaan di Novosibirsk INP dan di fasilitas Gamma-10 Jepang sedang berlangsung, program yang cukup sukses dari pendahulu TMX dan 2X-IIB sedang ditutup di Amerika Serikat.
Akhir cerita? Tidak. Secara harfiah di depan mata kita, pada tahun 2015, sebuah revolusi tenang yang menakjubkan sedang terjadi. Peneliti dari Institut Fisika Nuklir. Budker di Novosibirsk, yang berturut-turut meningkatkan perangkap GDL (omong-omong, harus dicatat bahwa ambipolar daripada perangkap gasdynamic lebih unggul di Barat) tiba-tiba mencapai parameter plasma yang diprediksi "mustahil" oleh skeptis di tahun 80-an.


Sekali lagi GDL. Silinder hijau yang menonjol ke berbagai arah adalah injektor netral, yang dibahas di bawah ini.

Tiga masalah utama yang mengubur perangkap terbuka adalah stabilitas MHD dalam konfigurasi sumbu-metrik (membutuhkan magnet kompleks), fungsi distribusi ion non-kalibrium (ketidakstabilan mikro), dan suhu elektron rendah. Pada 2015, GDL, dengan nilai beta 0,6, mencapai suhu elektron 1 keV. Bagaimana ini bisa terjadi?
Menghindari simetri aksial (silindris) pada tahun 60an dalam upaya untuk mengalahkan seruling dan ketidakstabilan MHD plasma lainnya, selain sistem magnetik yang rumit, juga menyebabkan peningkatan kehilangan panas radial dari plasma. Sekelompok ilmuwan yang bekerja dengan GDL menggunakan gagasan tahun 80-an untuk menerapkan medan listrik radial, menciptakan plasma berputar-putar. Pendekatan ini menghasilkan kemenangan cemerlang - pada beta 0,6 (saya ingat bahwa rasio tekanan plasma terhadap tekanan medan magnet adalah parameter yang sangat penting dalam desain setiap reaktor termonuklir - karena kecepatan dan kepadatan pelepasan energi ditentukan oleh tekanan plasma, dan biaya reaktor ditentukan. kekuatan magnetnya), dibandingkan dengan tokamak 0,05-0,1 plasma stabil.


Instrumen pengukuran baru - "diagnostik", memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang fisika plasma dalam GDL

Masalah kedua dengan ketidakstabilan mikro, yang disebabkan oleh kurangnya ion dengan suhu rendah (yang ditarik dari ujung perangkap oleh potensi ambipolar), diselesaikan dengan memiringkan injektor sinar netral pada suatu sudut. Pengaturan ini menciptakan puncak kerapatan ion di sepanjang jebakan plasma, yang menunda ion "hangat" untuk pergi. Solusi yang relatif sederhana mengarah pada penindasan total ketidakstabilan mikro dan peningkatan signifikan dalam parameter pengurungan plasma.


Fluks neutron dari pembakaran deuterium termonuklir di dalam perangkap GDL. Titik hitam - pengukuran, garis - nilai yang dihitung berbeda untuk berbagai tingkat ketidakstabilan mikro. Garis merah - ketidakstabilan mikro ditekan.

Akhirnya, "penggali kubur" utama adalah suhu elektron yang rendah. Meskipun parameter termonuklir telah dicapai untuk ion dalam perangkap, suhu elektron yang tinggi adalah kunci untuk menjaga ion panas dari pendinginan, dan oleh karena itu nilai Q yang tinggi. Alasan untuk suhu rendah adalah konduktivitas termal yang tinggi "sepanjang" dan potensial ambipolar, yang mengisap elektron "dingin" dari ekspander di ujungnya. perangkap di dalam sistem magnetik. Hingga 2014, suhu elektron dalam perangkap terbuka tidak melebihi 300 eV, dan nilai psikologis penting 1 kV diperoleh di GDL. Itu diperoleh karena kerja bagus dengan fisika interaksi elektron dalam ekspander terminal dengan gas netral dan peredam plasma.
Ini membalikkan situasi. Sekarang, perangkap sederhana lagi mengancam keutamaan tokamak, yang telah mencapai ukuran dan kompleksitas mengerikan ( beberapa contoh kompleksitas sistem ITER). Selain itu, pendapat ini tidak hanya ilmuwan dari INP, tetapi juga ilmuwan Amerika yang serius , yang diterbitkan dalam jurnal resmi. Lebih banyak lagi GDL close. Terima kasih atas foto-foto dedmaxopka Sejauh ini, keberhasilan GDL telah menghasilkan proposal baru untuk instalasi hanya di INP itu sendiri. Setelah memenangkan hibah dari Departemen Pendidikan dan Sains dengan 650 juta rubel, institut ini akan membangun beberapa stan teknik dalam rangka rektor yang menjanjikan " GDML-U




", menggabungkan ide dan pencapaian GDF dan cara untuk meningkatkan retensi longitudinal GOL. Meskipun di bawah pengaruh hasil baru, citra GDFM berubah, tetapi tetap menjadi gagasan utama di bidang jebakan terbuka.



Di mana perkembangan saat ini dan di masa depan dibandingkan dengan pesaing? Tokamaki, seperti yang Anda ketahui, telah mencapai nilai Q = 1, mereka telah memecahkan banyak masalah teknik, saya akan beralih ke pembangunan instalasi nuklir daripada listrik dan dengan percaya diri bergerak menuju prototipe reaktor energi dengan Q = 10 dan tenaga termonuklir hingga 700 MW (ITER). tori, tertinggal beberapa langkah pergi dari studi fisika fundamental dan memecahkan masalah teknik dengan Q = 0,1, tetapi tidak berisiko untuk pergi di lapangan instalasi benar-benar nuklir termonuklir membakar tritium. GDML-U bisa mirip dengan stellarator W-7Xmenurut parameter plasma (karena, bagaimanapun, instalasi berdenyut dengan durasi debit beberapa detik versus W-7X setengah jam dalam jangka panjang), namun, karena geometri sederhana, biayanya bisa beberapa kali lebih rendah daripada stellarator Jerman.


Penilaian INP.

Ada pilihan untuk menggunakan GDMF sebagai fasilitas untuk mempelajari interaksi plasma dan material (namun, ada cukup banyak fasilitas seperti itu di dunia) dan sebagai sumber neutron termonuklir untuk berbagai keperluan.


Ekstrapolasi ukuran GDMF tergantung pada Q yang diinginkan dan aplikasi yang mungkin.

Jika besok perangkap terbuka kembali menjadi favorit dalam perlombaan menuju TCB, orang dapat berharap bahwa karena investasi modal yang lebih rendah di setiap tahap, pada tahun 2050 mereka akan mengejar dan menyalip tokamaks, menjadi jantung dari pembangkit listrik termonuklir pertama. Kecuali jika plasma menghadirkan kejutan baru yang tidak menyenangkan ...

Source: https://habr.com/ru/post/id391541/