Termonuclear Startup Tokamak

Sebuah situs populer tentang berita atom World Nuclear News menulis tentang peluncuran (plasma pertama) dari ST40 tokamak, yang dimiliki oleh perusahaan swasta Inggris Tokamak Energy. Berita ini cukup menarik, terutama jika Anda tahu konteks yang akan saya coba dan sajikan.


Pendiri Tokamak Energy Alan Sykes dekat ST-40 dalam skala 1 banding 1.

Tokamak Energy (TE) didirikan pada tahun 2009 (di sebelah tokamak JET terbesar di dunia saat ini), dan sejak 2012 menerima dana (hari ini startup telah mengumpulkan $ 35 juta) untuk pembangunan serangkaian tokamak yang mengarah ke reaktor energi. Terhadap latar belakang ITER senilai $ 20+ miliar, tidak mengarah ke reaktor energi, itu terlihat aneh? Mari kita perbaiki.

Masalah utama dari fusi termonuklir adalah bukan untuk mendapatkan reaksi termonuklir, tetapi bahwa reaktor di mana kita melakukan itu harus berukuran wajar. Hampir semua konsep fusi bekerja jika Anda meningkatkan ukuran reaktor menjadi kilometer dan kekuatan untuk terawatt, tetapi desain seperti itu tidak berlaku dalam kehidupan nyata. Inti dari pekerjaan plasmist dalam mencari konfigurasi dan ukuran plasma termonuklir seperti itu di mana ukurannya akan minimal dengan komplikasi yang wajar dari desain reaktor (misalnya, sistem pemanas).


Video dari Tokamak Energy tentang "plasma pertama" ST40. Dalam bingkai - ruang vakum tokamak, dengan sistem pemanas untuk menembak, tidak ada sistem magnetik. Cahaya hijau yang indah - pelepasan cahaya untuk membersihkan dinding ruangan, tidak terkait langsung dengan plasma termonuklir

Tokamaks bola hanya memungkinkan Anda untuk mengambil langkah mundur dalam hal ukuran kabel plasma pada kekuatan termonuklir yang sama, secara formal mengurangi biaya reaktor. Dasar teori untuk ini telah dipahami sejak 1986 (ketika artikel pertama diterbitkan), dan secara eksperimental dikonfirmasi pada tahun 90-an. Saya menulis lebih banyak tentang ini di sebuah posting tentang tokamak Rusia baru , juga berbentuk bola.


Perakitan ruang vakum ST40. Di ITER, itu hanya akan terlihat, katakanlah, sebuah wadah untuk menyimpan air industri, tidak lagi :).

Faktanya, Tokamak Energy sedang mencoba untuk mengkomersialkan penemuan plasmist dua puluh tahun yang lalu. Dalam perjalanan ke ini ada banyak kesulitan teknik, beberapa di antaranya terlihat tidak dapat diatasi atau, dalam hal apapun, tidak dapat diatasi dengan harga yang wajar. Itu sebabnya berita tentang memajukan TE beragam. jelas bahwa semua keberhasilan ini akan berakhir pada titik tertentu.

Saat ini, aset TE termasuk meluncurkan tokamak yang sangat kecil (sebenarnya desktop) ST-25 dan kemudian mengubahnya menjadi superkonduktor suhu tinggi, dengan catatan untuk memegang plasma di tokamak selama 29 jam (benar, plasma, sangat rendah untuk suhu termonuklir dan pengaturan kepadatan) ) Tokamak berikutnya, yang diluncurkan pada 28 April, sudah jauh lebih serius. Begitu seriusnya sehingga membuat Anda percaya bahwa kesulitan teknik yang tidak dapat diatasi dapat diatasi.


Desain tokamak di masa depan akan direndam dalam wadah vakum besar untuk isolasi termal - cryostat. Di dalamnya ada sistem magnetik tembaga kumparan toroidal dan poloidal, di dalamnya adalah ruang vakum tokamak. Fitur teknis yang penting adalah kumparan penggabungan-kompresi, yang memecahkan masalah volume yang tidak cukup di kolom pusat untuk solenoid pusat.

Jadi, ST40. Ini adalah mesin penelitian murni, yang harus menjadi salah satu tahap menengah dalam perjalanan ke prototipe energi ST185 (yang akan dibangun sesuai dengan rencana pada tahun 2025, di mana ada keraguan yang sangat serius tentang yang pada akhirnya). Tokamak bulat dengan jari-jari kabel plasma hanya 40 cm, ruang vakum berukuran 1,5 x 2,2 meter - remah dengan latar belakang mobil serius. Setelah selesai sepenuhnya, harus mencapai parameter plasma dengan Q = 1 ... 2 (dan, dengan demikian, suhu 10 keV, juga catatan untuk ukuran kecil seperti itu), di mana Q adalah rasio daya termonuklir untuk pemanasan. Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa hari ini Q = 1.2 catatan untuk JT-60U tokamak dengan volume plasma puluhan kali lebih besar, dan terletak di dekat JET ST40, juga dengan volume plasma 40 kali lebih besar, hanya Q = 0,7 pada satu waktu tercapai. Bahkan, jika parameter terhitung ST40 dikonfirmasi, maka ini akan menjadi terobosan yang luar biasa untuk tokamaks.


Simulasi hasil neutron ST40 untuk plasma DT dengan berbagai metode. Penghitungan ulang dari parameter tokamak bola lain, MAST menghasilkan sekitar 3 megawatt tenaga termonuklir pada 2 megawatt pemanasan, mis. Q ~ 1.5, namun, hasilnya mungkin lebih buruk.

Apa sebenarnya yang membedakan ST40 dari pendahulunya? Ini adalah tokamak bola dengan bidang 3 Tesla yang cukup kuat (harus dicatat bahwa ini adalah catatan di antara tokamak bola), dioptimalkan sebanyak mungkin untuk mendapatkan Q tinggi. Bidang tinggi adalah pencapaian dalam dirinya sendiri. Masalah dengan tokamaks bola adalah bahwa fisika membutuhkan kolom tengah diameter sekecil mungkin (untuk membawa bentuk plasma lebih dekat ke bola sedekat mungkin), yang berarti area minimum untuk busur internal kumparan toroidal dan solenoid sentral. Arus kumparan toroidal menentukan kekuatan medan, terlepas dari kenyataan bahwa kerapatan arus tidak boleh lebih tinggi dari parameter tertentu, yaitu untuk yang tembaga, dan untuk sistem superkonduktor. Solenoid sentral, pada gilirannya, diperlukan untuk pemompaan utama energi plasma, dan ukurannya juga sangat terbatas dari bawah.



Konduktor tembaga dari gulungan medan toroidal dan kolom tengah. 24 putaran berbentuk D yang dikelompokkan dalam 3 (foto bawah di sebelah kiri) pada tahap pertama selama peluncuran selama 1 ... 10 detik menghasilkan arus sekitar 100 kA

Ternyata pembatasan teknik menentukan bidang rendah dalam tokamak bola ... atau penolakan terhadap pendekatan standar untuk diluncurkan. ST40 menggunakan metode baru untuk memulai pemanasan plasma dan membentuk generasi saat ini - kompresi dan penyambungan kembali garis magnetik. Fenomena ini bertanggung jawab untuk flare matahari, dan dapat menghangatkan plasma. Efektivitas pendekatan ini tidak jelas, dan ini adalah tugas pertama ST40 - ia akan belajar bagaimana memulai arus plasma tanpa menggunakan solenoid pusat (DC kecil dalam desain ST40 masih tetap mempertahankan profil arus datar selama start-up, tetapi volumenya sekitar 10 kali lebih sedikit daripada di klasik) skema).


Rekoneksi magnetik adalah fenomena konfigurasi ulang medan magnet ketika dua tabung medan dengan arah berlawanan "korsleting" dan menghilangkan energi yang hilang. Dalam gambar, ini adalah tabung eksternal dari domain "inflow", dan energinya dilepaskan ke arah panah vertikal.


Solusi rekayasa kedua dalam upaya menembus batas adalah menggunakan sistem tembaga yang didinginkan hingga suhu nitrogen cair. Ini mengurangi hambatan tembaga sebanyak 20-30 kali, dan memungkinkan Anda meningkatkan kerapatan arus hingga puluhan kali. Trik yang akan memungkinkan ST40 kecil untuk mengejar ketinggalan dengan mesin mahal besar dalam hal Q dan daya termonuklir adalah jalan buntu - solusi semacam itu tidak memungkinkan beralih ke tokamak yang bekerja selama lebih dari 10 detik. TE di sini mengandalkan superkonduktivitas suhu tinggi, namun, kepadatan teknik yang diperlukan di kolom arus tengah (setidaknya 100 ampere per milimeter persegi) cukup sulit untuk dicapai, mengingat volume yang ditempati oleh isolasi listrik dan termal, perlindungan neutron, komponen struktural, dll. Misalnya, dalam magnet toroidal ITER, kerapatan arus teknik hanya 11 A / mm ^ 2. Ini adalah salah satu hambatan paling sulit untuk tokamak bola, dan bagaimana Tokamak Energy akan menyelesaikannya tidak diketahui.


Cincin untuk mengamankan kumparan koneksi-ulang di dalam ruang vakum ST40. Insinyur Tokamak Energy telah menghadapi satu masalah dari dunia magnet termonuklir - gaya pondemotor yang terdeformasi besar, tetapi untuk prototipe energi, kekuatan ini akan tumbuh berdasarkan urutan besarnya.

Seperti yang saya katakan, proyek ini membangkitkan perasaan campur aduk. Salah satunya adalah kejutan tanpa syarat dan bahkan antusiasme terhadap parameter-parameter instalasi termonuklir kecil, yang, secara teori, menghubungkan dengan sabuk tokamaks yang paling serius dengan dana negara ratusan juta dolar. Perasaan kedua adalah kekecewaan dari kenyataan.

Pada kenyataannya, "peluncuran" ST40 hanyalah satu set vakum dan pembersihan permukaan internal oleh pelepasan cahaya dalam plasma lithium (warna hijau yang indah). Sistem magnetik belum dirakit dan dipasang di ruang vakum, bahkan dalam konfigurasi yang paling sederhana, meskipun menurut rencana setahun yang lalu, ini seharusnya terjadi pada pergantian tahun 16/17. Sebelum catatan menutup sabuk JET dan JT-60U, instalasi masih harus melalui beberapa peningkatan serius (memasang cryostat di sekitar tokamak, menciptakan sistem pendingin nitrogen cair untuk magnet, meningkatkan sistem catu daya magnet hingga sepuluh kali jumlah energi yang tersimpan, memasang injektor balok netral, dll. .) - dengan kecepatan kerja seperti itu, hanya tugas-tugas ini yang dapat berlanjut hingga 2025.


Meskipun ruang vakum ST40 bukan produk yang sederhana, kompleksitasnya jauh lebih sedikit daripada seluruh instalasi, belum lagi superkonduktor "ST *" berikutnya. Jadi insinyur TE baru saja mulai.

"Kekuatan termonuklear", yang kita bahas ketika berbicara tentang Q, dalam kasus ST40 juga akan sedikit virtual, dikonversi dari output neutron plasma DD (yang sebenarnya akan bekerja dengan ST40) menjadi DT (namun, konversi dari kekuatan neutron ini dilakukan dengan sangat jelas) . Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa bekerja dengan tritium berarti kelas instalasi yang sama sekali berbeda dengan bertahun-tahun memperoleh lisensi untuk itu dari regulator atom dan kemungkinan besar dengan pembangunan kompleks bangunan khusus. Mungkin TE sudah melakukan pekerjaan ini untuk mendapatkan lisensi nuklir lebih lanjut, jika tidak untuk ini, maka untuk mobil berikutnya, tetapi sejauh ini tidak diiklankan dengan cara apa pun, itu tidak terlihat dalam solusi teknik dan rencana kampanye. Yaitu, komponen nuklir tokamaks adalah sejenis Everest, di mana sangat sedikit proyek yang bisa dipanjat - sangat sulit, sangat mahal dan tidak aman. Komponen nuklir pada akhirnya menentukan biaya dan penampilan teknik dari pembangkit listrik, dan "melupakan" tentang itu berarti melupakan sekitar 50% dari kompleksitas dan kompleksitas.

Pikiran-pikiran ini dengan lancar membawa kita pada pertanyaan yang tidak saya jawab - siapa dan mengapa berinvestasi hari ini di startup fusion di seluruh dunia? Dekade terakhir telah melihat ledakan yang jelas dari proyek-proyek tersebut - Tokamak Energy, Tri Alpha Energy , General Fusion , Helion Energy dan lainnya , terlepas dari kenyataan bahwa pasar listrik sedang tertekan dan pembangunan pembangkit listrik jenis apa pun tidak menguntungkan tanpa subsidi, dengan pengecualian di negara-negara berkembang. Jika Tri Alpha mengembangkan ide untuk memasang fusi bebas-neutron, yang mungkin tidak memerlukan lisensi, dan General Fusion berharap bahwa gagasan fusi "berteknologi rendah" akan bekerja, maka untuk skema tradisional yang kurang lebih sulit untuk membayangkan bagaimana Anda dapat membayarnya - dengan cara yang sama betapa sulitnya membayangkan pengembalian "reaktor nuklir di setiap rumah", meskipun kelayakan teknik fasilitas seperti itu.

Entah investor masih dalam paradigma tahun 60-an ... 70-an, atau mereka berharap untuk pasar baru (misalnya, mengganti pembangkit listrik tenaga batu bara dalam upaya mengurangi emisi CO2), atau psikologi usaha membuat investasi dalam proyek apa pun untuk luas pasar (dan pasar listrik masih merupakan salah satu yang terbesar). Namun, faktanya tetap bahwa di dunia modern ada uang yang memungkinkan Anda untuk memeriksa banyak ide "tegak lurus" dalam besi, dan mungkin salah satunya akan memberikan energi termonuklir pertama bahkan sebelum ITER mencapai kapasitas penuh.

PS Kami menggunakan foto-foto dari Tokamak Energy instagram , sebuah artikel tentang teknik dan dasar fisik ST40 dan "filosofi" fisik dalam memilih ukuran tokamak .