Revolução termonuclear silenciosa

Provavelmente não existe um único campo de atividade humana tão cheio de decepções e heróis rejeitados quanto tentativas de criar energia termonuclear. Centenas de conceitos de reatores, dezenas de equipes que se tornaram os favoritos dos orçamentos público e estadual e finalmente decidiram o vencedor na forma de tokamaks. E aqui, novamente, as realizações dos cientistas de Novosibirsk reavivam o interesse em todo o mundo em um conceito brutalmente pisoteado nos anos 80. E agora com mais detalhes.


Armadilha aberta GDL com resultados impressionantes

Entre toda a variedade de propostas, como extrair energia da fusão termonuclear é mais orientada para o confinamento estacionário de um plasma termonuclear relativamente fraco. Por exemplo, o projeto ITER e mais amplamente - armadilhas toroidais tokamaki e stellarators - a partir daqui. São toroidais porque é a forma mais simples de um vaso fechado de campos magnéticos (devido ao teorema de pentear o ouriçoum vaso esférico não pode ser fabricado). No entanto, no início das pesquisas no campo da fusão termonuclear controlada, os favoritos não eram armadilhas de geometria tridimensional complexa, mas tentativas de manter o plasma nas chamadas armadilhas abertas. Estes também são geralmente vasos magnéticos de forma cilíndrica nos quais o plasma é bem retido na direção radial e flui de ambas as extremidades. A idéia dos inventores é simples aqui - se o aquecimento de um novo plasma por uma reação termonuclear prosseguir mais rápido que o fluxo de calor a partir das extremidades, então Deus o abençoe, com a abertura de nossa embarcação, a energia será gerada e o vazamento ainda ocorrerá em uma vasilha de vácuo e o combustível continuará. ande no reator até que se queime.


A ideia de uma armadilha aberta é um cilindro magnético com rolhas / espelhos nas extremidades e expansores atrás deles.

Além disso, em todas as armadilhas abertas, um ou outro método é usado para impedir que o plasma escape pelas extremidades - e o mais simples aqui é aumentar drasticamente o campo magnético nas extremidades (coloque "tampões" magnéticos na terminologia russa ou "espelhos" na ocidental), enquanto De fato, partículas carregadas incidentes brotam dos espelhos retrovisores e apenas uma pequena fração do plasma passa por eles e cai em expansores especiais.


E uma representação um pouco menos esquemática da heroína de hoje - é adicionada uma câmara de vácuo na qual o plasma voa e todos os outros equipamentos.

O primeiro experimento com uma armadilha “espelho” ou “aberta” - pepino Q foi colocado em 1955 no Laboratório Nacional Americano Lawrence Livermore. Por muitos anos, este laboratório tornou-se líder no desenvolvimento do conceito de TCB baseado em armadilhas abertas (OL).


O primeiro experimento no mundo - uma armadilha aberta com espelhos magnéticos Q-pepino

Comparadas aos concorrentes fechados, as vantagens do OL podem ser escritas em geometria muito mais simples do reator e de seu sistema magnético, o que significa baixo custo. Portanto, após a queda do primeiro reator favorito dos reatores TCB-Z-pinch, as armadilhas abertas recebem prioridade e financiamento máximos no início dos anos 60, prometendo uma solução rápida por pouco dinheiro.


Início dos anos 60, armadilha de mesa

No entanto, o próprio Z-pinch não renunciou por acaso. Seu funeral foi associado à manifestação da natureza das instabilidades do plasma que destruíram formações de plasma ao tentar comprimir o plasma com um campo magnético. E esse recurso em particular, pouco estudado 50 anos atrás, imediatamente começou a interferir irritantemente nos experimentadores de armadilhas abertas. As instabilidades da flauta tornam o sistema magnético mais complicado ao introduzir, além de simples solenóides redondos, "Joffe sticks", "baseball trap" e "yin-yang coils" e reduzem a proporção da pressão do campo magnético para a pressão do plasma (parâmetro β).


Íman supercondutor de "beisebol" armadilha Baseball II, meados dos anos 70

Além disso, o vazamento de plasma procede de maneira diferente para partículas com energias diferentes, o que leva ao não equilíbrio do plasma (isto é, o espectro de velocidade de partículas não Maxwelliano), o que causa uma série de instabilidades desagradáveis. Essas instabilidades, por sua vez, "balançam" o plasma aceleram sua fuga através das células do espelho final. No final dos anos 60, versões simples de armadilhas abertas atingiam o limite de temperatura e densidade do plasma sendo mantido, e esses números eram muito mais ordens de magnitude inferiores às necessárias para uma reação termonuclear. O problema estava principalmente no rápido resfriamento longitudinal dos elétrons, que então perdiam energia e íons. Novas idéias eram necessárias.


Armadilha ambipolar TMX-U bem sucedida

Os físicos estão propondo novas soluções, principalmente relacionadas à melhoria do confinamento longitudinal do plasma: confinamento ambipolar, armadilhas de papelão ondulado e armadilhas dinâmicas de gás.

• O confinamento ambipolar é baseado no fato de que os elétrons "vazam" de uma armadilha aberta 28 vezes mais rápido que os íons deutério e trítio, e uma diferença potencial surge nas extremidades da armadilha - positiva dos íons internos e negativos externos. Se a amplificação de um campo com plasma denso for feita nas extremidades da configuração, o potencial ambipolar em um plasma denso manterá o conteúdo menos denso interno da dispersão.
• As armadilhas corrugadas criam um campo magnético com nervuras no final, onde os íons pesados ​​se separam devido ao "atrito" contra os campos de armadilha trancados em "valas".
• , , “-”.

Curiosamente, todos esses conceitos pelos quais as instalações experimentais foram construídas exigiram mais complicações da engenharia de armadilhas abertas. Primeiro, aqui, pela primeira vez, aceleradores complexos de feixe neutro aparecem no TCB, que aquecem o plasma (nas primeiras instalações, o aquecimento foi obtido por descargas elétricas comuns) e modulam sua densidade na instalação. O aquecimento por radiofrequência, que apareceu pela primeira vez na década de 60/70 em tokamaks, é adicionado. Grandes e caras unidades Gamma-10 estão em construção no Japão, TMX nos EUA, AMBAL-M, GOL e GDL no INP de Novosibirsk.


O sistema magnético Gamma-10 e o diagrama de aquecimento a plasma ilustram até que ponto eles foram das soluções OL simples para os anos 80.

Paralelamente, em 1975, na armadilha 2X-IIB, os pesquisadores americanos foram os primeiros no mundo a atingir uma temperatura de íon simbólico de 10 kV, ideal para a fusão de deutério e trítio. Deve-se notar que, nas décadas de 60 e 70, eles estavam sob o signo de uma busca da temperatura desejada de qualquer maneira, porque a temperatura determina se o reator começará a funcionar, enquanto os outros dois parâmetros - a densidade e a taxa de vazamento de energia do plasma (ou mais frequentemente isso é chamado de "tempo de retenção") podem ser compensados ​​aumentando o tamanho do reator. No entanto, apesar da conquista simbólica, o 2X-IIB estava muito longe do que seria chamado de reator - a potência teórica alocada seria 0,1% do plasma gasto na manutenção e aquecimento. Um problema sério permaneceu na baixa temperatura de elétrons - da ordem de 90 eV contra um fundo de íons de 10 kev, associado ade uma maneira ou de outra, os elétrons esfriavam contra as paredes da câmara de vácuo na qual a armadilha está localizada.


Elementos da armadilha ambipolar agora extinta AMBAL-M

No início dos anos 80, houve um pico no desenvolvimento desse ramo do TCB. O pico de desenvolvimento é o projeto MFTF dos EUA no valor de US $ 372 milhões (ou 820 milhões aos preços atuais, o que aproxima o projeto de valor de uma máquina como Wendelstein 7-X ou tokamak K-STAR).


Os módulos magnéticos supercondutores do MFTF ...


E a carcaça do seu ímã supercondutor de 400 toneladas

Era uma armadilha ambipolar com ímãs supercondutores, incluindo terminal de obras-primas “yin-yang”, numerosos sistemas e diagnósticos de plasma de aquecimento, um recorde em todos os aspectos. Foi planejado atingir Q = 0,5, ou seja, a produção de energia da reação termonuclear é apenas metade do custo de manutenção da operação do reator. Que resultados esse programa alcançou? Foi fechado por uma decisão política em um estado quase pronto para o lançamento.


O terminal "Yin-Yang" MFTF durante a instalação em uma câmara de vácuo de 10 metros da instalação. Seu comprimento era de 60 metros.

Apesar de ser difícil explicar esta decisão, chocante por todos os lados, tentarei.
Em 1986, quando o MFTF estava pronto para ser lançado no horizonte dos conceitos do TCB, uma estrela de outro favorito foi acesa. Uma alternativa simples e barata às armadilhas abertas "bronzeadas", que nessa época haviam se tornado muito complicadas e caras no contexto do conceito inicial do início dos anos 60. Todos esses ímãs supercondutores de configurações de quebra-cabeças, injetores neutros rápidos, poderosos sistemas de aquecimento por plasma por radiofrequência, esquemas de supressão de instabilidade de quebra-cabeças - parecia que instalações tão complexas nunca se tornarão o protótipo de uma usina termonuclear.


JET na configuração limitada inicial e bobinas de cobre.

Então tokamaki. No início dos anos 80, essas máquinas atingiram parâmetros plasmáticos suficientes para queimar uma reação termonuclear. Em 1984, foi lançado o tokamak europeu JET, que deve mostrar Q = 1, e usa ímãs de cobre simples, cujo custo é de apenas 180 milhões de dólares. Na URSS e na França, estão sendo projetados tokamaks supercondutores, que quase não gastam energia na operação do sistema magnético. Ao mesmo tempo, os físicos que trabalham com armadilhas abertas por anos não podem progredir no aumento da estabilidade do plasma, da temperatura dos elétrons e as promessas das conquistas da MFTF estão se tornando cada vez mais vagas. As próximas décadas, a propósito, mostrarão que a aposta nos tokamaks acabou sendo relativamente justificada - foram essas armadilhas que atingiram o nível de capacidades e Q, interessantes para os engenheiros de energia.


O sucesso de armadilhas abertas e tokamaks no início dos anos 80 no mapa do “parâmetro triplo”. O JET alcançará um ponto um pouco acima do TFTR 1983 em 1997.

A decisão do MFTF finalmente enfraquece a posição dessa área. Embora os experimentos no INP de Novosibirsk e nas instalações Gamma-10 japonesas continuem, os experimentos com os antecessores TMX e 2X-IIB também estão sendo realizados nos EUA.
O fim da história? Não. Literalmente diante de nossos olhos, em 2015, uma incrível revolução silenciosa está ocorrendo. Pesquisadores do Instituto de Física Nuclear. Os iniciantes em Novosibirsk, que melhoraram sucessivamente a armadilha de GDL (a propósito, deve-se notar que as armadilhas ambipolares, em vez de dinâmicas a gás, eram superiores no Ocidente) repentinamente alcançam parâmetros de plasma que eram considerados "impossíveis" pelos céticos nos anos 80.


Mais uma vez GDL. Cilindros verdes projetados em diferentes direções são injetores neutros, que são discutidos abaixo.

Os três principais problemas que ocultaram as armadilhas abertas são a estabilidade do MHD em uma configuração axissimétrica (exigindo ímãs complexos), função de distribuição de íons sem equilíbrio (micro instabilidade) e baixa temperatura de elétrons. Em 2015, o GDL, com um valor beta de 0,6, atingiu uma temperatura eletrônica de 1 keV. Como isso aconteceu?
Evitar a simetria axial (cilíndrica) nos anos 60, na tentativa de derrotar a flauta e outras instabilidades MHD do plasma, além de complicar os sistemas magnéticos, também levou a um aumento na perda de calor radial do plasma. Um grupo de cientistas que trabalhava com a GDL usou a ideia dos anos 80 para aplicar um campo elétrico radial, criando um plasma em turbilhão. Essa abordagem levou a uma brilhante vitória - no beta 0,6 (lembro-me que essa relação entre a pressão do plasma e a pressão do campo magnético é um parâmetro muito importante no projeto de qualquer reator termonuclear) - porque a velocidade e a densidade da liberação de energia são determinadas pela pressão do plasma e o custo do reator é determinado força de seus ímãs), comparado com o plasma tokamak 0.05-0.1 é estável.


Novos instrumentos de medição - "diagnóstico", permitem uma melhor compreensão da física do plasma na GDL

O segundo problema de micro instabilidades, causado pela falta de íons com baixas temperaturas (que são puxadas das extremidades da armadilha pelo potencial ambipolar), foi resolvido inclinando os injetores de raios neutros em ângulo. Esse arranjo cria picos de densidade de íons ao longo da armadilha do plasma, que atrasam a saída dos íons "quentes". Uma solução relativamente simples leva à supressão completa de micro-instabilidades e a uma melhoria significativa nos parâmetros de confinamento no plasma.


Fluxo de nêutrons da combustão termonuclear de deutério na armadilha da GDL. Pontos pretos - medições, linhas - diferentes valores calculados para diferentes níveis de micro instabilidades. Linha vermelha - micro instabilidade suprimida.

Finalmente, o principal "coveiro" é a baixa temperatura dos elétrons. Embora parâmetros termonucleares tenham sido alcançados para íons nas armadilhas, uma alta temperatura de elétrons é a chave para impedir que os íons quentes resfriem e, portanto, um alto valor de Q. A razão para a baixa temperatura é a alta condutividade térmica "ao longo" e o potencial ambipolar, que suga elétrons "frios" dos expansores nas extremidades armadilhas dentro do sistema magnético. Até 2014, a temperatura do elétron nas armadilhas abertas não excedia 300 eV, e o valor psicologicamente importante de 1 kV foi obtido na GDL. Foi obtido devido ao bom trabalho com a física da interação dos elétrons nos expansores terminais com absorvedores neutros de gás e plasma.
Isso vira a situação de cabeça para baixo. Agora, armadilhas simples novamente ameaçam a primazia dos tokamaks, que atingiram tamanhos e complexidade monstruosos ( vários exemplos da complexidade dos sistemas ITER). Além disso, essa opinião não é apenas de cientistas do INP, mas também de cientistas americanos sérios , publicados em periódicos oficiais. Mais GDL próximo. Obrigado pelas fotos dedmaxopka Até agora, no entanto, o sucesso do GDL levou a novas propostas de instalações apenas no próprio INP. Tendo ganho uma concessão do Ministério da Educação e Ciência em 650 milhões de rublos, o instituto construirá vários estandes de engenharia no âmbito do promissor reitor " GDML-U




", combinando as idéias e realizações do GDF e uma maneira de melhorar a retenção longitudinal do GOL. Embora sob a influência de novos resultados, a imagem do GDFM está mudando, mas continua sendo a principal idéia no campo das armadilhas abertas.



Onde estão os desenvolvimentos atuais e futuros em comparação com os concorrentes? Tokamaki, como você sabe, alcançou valores de Q = 1, eles resolveram muitos problemas de engenharia, voltarei para a construção de instalações nucleares, e não elétricas, e estou avançando com confiança para o protótipo de um reator de energia com Q = 10 e uma energia termonuclear de até 700 MW (ITER). tori, ficando a alguns passos ir a partir do estudo da física fundamental e resolver problemas de engenharia com Q = 0,1, mas não está em risco de ir no campo instalações verdadeiramente nucleares termonuclear queima de trítio. GDML-U poderia ser semelhante ao stellarator W-7Xpor parâmetros de plasma (sendo, no entanto, uma instalação pulsada com duração de descarga de vários segundos em comparação com a operação de meia hora W-7X no futuro), no entanto, devido à geometria simples, seu custo pode ser várias vezes menor que o stellarator alemão.


Avaliação do INP.

Existem opções para o uso de GDMF como uma instalação para estudar a interação de plasma e materiais (existem, no entanto, muitas dessas instalações no mundo) e como uma fonte termonuclear de nêutrons para diversos fins.


Extrapolação de tamanhos de GDMF, dependendo do Q desejado e possíveis aplicações.

Se amanhã as armadilhas abertas novamente se tornarem favoritas na corrida para o TCB, seria de esperar que, devido aos menores investimentos de capital em cada etapa, em 2050 eles alcancem e ultrapassem os tokamaks, tornando-se o coração das primeiras usinas termonucleares. A menos que o plasma apresente novas surpresas desagradáveis ​​...

Source: https://habr.com/ru/post/pt391541/