Reator de Fusão Tri-Alpha Plasma Vortex Fusion

Como você sabe, a reação termonuclear da mistura de deutério-trítio continua mesmo à temperatura ambiente, muito lentamente para ser interessante. Para obter liberação de energia industrial (1-10 megawatts por metro cúbico), é necessário criar condições para o confinamento do plasma com uma temperatura de 100 a 200 milhões de graus e uma densidade de 1 ... 2 * 10 ^ 20 partículas por metro cúbico. Sobre esses parâmetros, o sistema começa a se auto-equilibrar (em tokamaks) - a liberação de energia é comparada com vazamentos e o custo do aquecimento de novas porções de combustível. Esses números extremos são uma zona de interesse para todos os desenvolvedores de reatores termonucleares, e sua conquista é tarefa de muitas décadas de desenvolvimento do conceito de fusão termonuclear controlada (TCF).


Armadilha aberta GDL — . . .


Como escrevi no programa educacional sobre física de tokamak , o principal problema desse plasma é o vazamento de calor dele. Eles tentam resolver esse problema de duas maneiras - criando armadilhas magnéticas de grande volume (a principal delas é o ITER), na qual o aquecimento externo e interno é igual ao resfriamento em instalações pulsadas, onde o plasma comprimido aos parâmetros termonucleares queima tão violentamente que libera energia termonuclear suficiente aqueles milissegundos que esfriam. No entanto, para esse regime, o plasma deve ser aquecido ainda mais e compactado ainda mais (ainda que brevemente) do que em armadilhas magnéticas permanentes. O progresso nesse caminho é ainda mais triste do que com os tokamaks devido à instabilidade fundamental do plasma, que, quando comprimido, "desliza" para fora do campo compressivo e se dissipa, perdendo temperatura e densidade.


Por exemplo, uma das opções mais avançadas para um TCB pulsado é o MagLIF .

Na tentativa de seguir esse caminho, os pesquisadores nos anos 70 chamaram a atenção para os vórtices do plasma, chamados FRCs (configurações invertidas no campo), com estrutura semelhante aos anéis da fumaça do tabaco.


FRC de vórtice plasmático com um campo poloidal magnético congelado (azul), "espontâneo" em um campo magnético longitudinal (verde).

Eles se mostraram formações estáveis ​​e de longa duração. Eles são fáceis de gerenciar - acelerar, compactar, mesclar e separar. Além disso, eles tinham uma vantagem extremamente importante - a pressão de seu próprio campo magnético congelado estava próxima da pressão do plasma, ou seja, o design foi bem adequado para alcançar facilmente parâmetros de alta temperatura e pressão. Agora, juntamente com a formação mais simples de plasma auto-contratante, eles são convidados frequentes nas idéias de reatores termonucleares pulsados ​​... Onde outras formações de plasma foram destruídas por instabilidades ou simplesmente dispersas no espaço durante a compressão, a FRC prometeu benefícios tangíveis.


O FRC pode ser encontrado em muitos reatores. Por exemplo, no Experimento de revestimento de plasma do Laboratório Nacional de Los Alamos.

Em 1997, os Estados Unidos propuseram o conceito de reator de fusão de feixe de colisão (CBFR), um circuito pulsado no qual dois vórtices de plasma do tipo FRC dispersos colidiram e comprimiram no centro da máquina por um campo magnético pulsado, formando um plasma de densidade e temperatura suficientes para inflamar a reação termonuclear. Ao mesmo tempo, o uso de FRC garantiu que esse plasma sobrevivesse sob as condições de uma combustão de reação termonuclear suficiente para que a energia de fusão alocada fosse suficiente para a operação econômica da usina, incluindo os custos de operação do próprio CBFR. Obviamente, se o conceito e os cálculos dos autores estivessem completamente corretos.


Então, nos anos 90, eles desenharam um gerador de 100 megawatts baseado em dois reatores de pulso de 50 megawatts, CBFR.


CBFR: 2 FRC . .

Com base nesse conceito, várias startups desenvolveram imediatamente a ideia do CBFR. Mais bem-sucedidos em termos de captação de recursos foram Helion Energy e Tri Aplha Energy. Os primeiros estão tentando fabricar um reator com base na reação D + He3, declarando que obtêm uma temperatura de 5 kV, um campo de 100 T e uma vida útil de 1 ms em seu protótipo. Sua densidade plasmática é desconhecida, mas assumindo que 10 ^ 20 partículas por metro cúbico são freqüentes para tais experimentos, é 100 vezes pior que o ponto de equilíbrio (produção de energia igual ao custo de aquecimento e compressão, sem levar em conta o custo da instalação) para a reação D + T, e cerca de 50.000 vezes pior do que o necessário para um reator em funcionamento. No entanto, o equipamento no qual eles parecem ter atingido esses valores duvida dos valores reivindicados.


Instalação de laboratório Helion.

No entanto, seus concorrentes Tri Alpha (fundado pelos desenvolvedores de conceitos da CBFR Norman Rostoker e Hendrik Monkhorst) têm grandes ambições - usar a reação p + B mais complexa para energia termonuclear e um reator maior para implementar essas idéias e 150 funcionários.


Na sala de controle do protótipo do reator Tri Alpha.

A vantagem da reação escolhida é a ausência de nêutrons que ativam o reator e o transformam em um objeto nuclear e fornecimento ilimitado de fontes (ao contrário do lítio para a reação D + T ou do hélio-3 realmente ausente no solo para He3 + D). A desvantagem é muito mais (60 vezes) condições severas de combustão no plasma e grandes problemas com radiação gama espúria.


Conceitualmente, o TAE usa o mesmo reator que Helion, apenas 10 vezes mais.


Estado atual da instalação. Injetores de pulso de partículas neutras são visíveis (barris cinza ao redor do reator).

Os californianos Tri Alpha já levantaram mais de US $ 100 milhões em investimentos (incluindo da RUSNANO (!), Então A. Chubais é um dos membros do conselho de administração da empresa, e a empresa faz pedidos de equipamentos na Rússia), o que lhes permitiu usar muito maior que a escala de laboratório. O protótipo de 23 metros do reator "C2" é um pouco semelhante às armadilhas abertas de INP (como na primeira foto) - um tubo enrolado em um conjunto de solenóides cujas bordas são geradas em vórtices FRC e acelera a 250 km / s no centro.


Dentro da câmara central C2.

Em geral, esta é uma instalação bastante avançada que utiliza getters de titânio para produzir injetores neutros de megawatt pulsado de vácuo ultra-alto ( produzidos pelo Novosibirsk INP ) que criam os perfis de densidade de íons necessários no reator, eletrodos pulsados ​​em quadrupolo para combater instabilidades cinéticas e muitos instrumentos para diagnosticar a física dos fenômenos que ocorrem.


Um conjunto de ferramentas de diagnóstico na instalação C2.

Assim, a instalação aborda os tokamaks avançados do final dos anos 70 em termos de complexidade e tarefas; no entanto, em contraste com a grande ciência (parcialmente militar) financiada pelo Estado, essas são mãos totalmente privadas.


Novosibirsk close de injetores de pulso neutro.

Em 2015, a Tri Alpha anunciou que, nos últimos anos, eles conseguiram aumentar o tempo de confinamento do plasma em 10 vezes (até 5 ms), o tempo sendo limitado pelo comprimento do pulso do sistema NBI e agora eles veem um caminho claro para instalar um “C3” em larga escala, que será concluído em 2017. Está planejado atingir um nível suficiente para o ponto de equilíbrio D + T (teórico, pois a instalação funcionará apenas em deutério, sem o uso de trítio) com uma temperatura de plasma de 100 milhões de graus (10 kev) e um tempo de retenção de 1 segundo. Até o momento, esse nível foi alcançado em dois tokamaks - o JET europeu e o japonês JT-60U, no entanto, ambos os projetos custam pelo menos um bilhão de dólares e foram criados pelos esforços conjuntos de vários estados


Tokamak JT-60SA durante a desmontagem. Curiosamente, as colunas cinza à esquerda também são injetores de feixe neutro, como em C2.

Outros planos de TAE não são bem conhecidos. A empresa não gosta de publicidade (nem sequer tem um site). Como no caso de reatores de armadilha aberta, está planejado no futuro extrair energia por conversão direta - desacelerar íons e elétrons e curto-circuitar nos pólos de um dispositivo especial. A eficiência e, principalmente, o preço desse método são muitas vezes melhores que os conversores tradicionais de geração de turbinas térmicas. Existem propostas para o uso de máquinas como motores a jato para naves espaciais (oi Wiverjet!). Até o momento, pode-se dizer que, dentre todos os conceitos alternativos, esse é um dos mais promissores, mas o cemitério gigante de conceitos promissores de reatores termonucleares existentes hoje compele essa startup a uma certa parcela de ceticismo. Bem, em apenas alguns anos, veremos o nascimento da energia termonuclear (também vou lembrá-lo da General Fusion ) ou outro pôr do sol inglório de outra startup promissora.

Source: https://habr.com/ru/post/pt384089/