Inicialização Termonuclear Tokamak

Um site popular sobre notícias atômicas A World Nuclear News escreve sobre o lançamento (primeiro plasma) do tokamak ST40, de propriedade da empresa inglesa privada Tokamak Energy. As notícias são bastante interessantes, principalmente se você conhecer o contexto que tentarei apresentar.


Fundador da Tokamak Energy Alan Sykes perto do ST-40 em uma escala de 1 para 1.

A Tokamak Energy (TE) foi fundada em 2009 (ao lado do maior tokamak JET do mundo hoje), e desde 2012 recebe financiamento (hoje a startup levantou US $ 35 milhões) para a construção de uma série de tokamaks que levam ao reator de energia. No contexto do ITER, avaliado em mais de US $ 20 bilhões, sem levar a um reator de energia, parece estranho? Vamos acertar.

O principal problema da fusão termonuclear não é obter uma reação termonuclear, mas o reator no qual a conduzimos deve ter um tamanho razoável. Quase todo o conceito de fusão funciona se você aumentar o tamanho do reator para quilômetros e a potência em terawatts, mas esses projetos não são aplicáveis ​​na vida real. A essência do trabalho dos plasmistas na busca de tais configurações e tamanhos de plasma termonuclear em que seu tamanho será mínimo com uma complicação razoável do projeto do reator (por exemplo, sistemas de aquecimento).


Vídeo da Tokamak Energy sobre o "primeiro plasma" ST40. No quadro - uma câmara de vácuo de tokamak, com um sistema de aquecimento para queima, não existe sistema magnético. Um belo brilho verde - uma descarga de brilho para limpar as paredes da câmara, não diretamente relacionada ao plasma termonuclear

Os tokamaks esféricos apenas permitem diminuir o tamanho do cabo de plasma com a mesma energia termonuclear, reduzindo formalmente o custo do reator. A base teórica para isso é entendida desde 1986 (quando o primeiro artigo foi publicado) e confirmada experimentalmente nos anos 90. Escrevi mais sobre isso em um post sobre um novo tokamak russo , também esférico.


Montagem da câmara de vácuo ST40. No ITER, seria apenas, digamos, um recipiente para armazenar água industrial, não mais :).

De fato, a Tokamak Energy está tentando comercializar essa descoberta de plasmistas há vinte anos. No caminho para isso, existem muitas dificuldades de engenharia, algumas das quais parecem intransponíveis ou, em qualquer caso, não podem ser superadas por um preço razoável. É por isso que as notícias sobre o avanço da TE são variadas. é claro que todos esses sucessos terminarão em algum momento.

No momento, os ativos da TE incluem o lançamento de um tokamak muito pequeno (realmente desktop) ST-25 e, em seguida, convertê-lo em supercondutores de alta temperatura, com um recorde de retenção de plasma em um tokamak por 29 horas (verdadeiro, plasma, muito baixo para configurações de temperatura e densidade termonucleares) ) O próximo tokamak, lançado em 28 de abril, já é muito mais sério. Tão sério que faz você acreditar que dificuldades intransponíveis de engenharia são superáveis.


O design do tokamak no futuro será imerso em um grande recipiente a vácuo para isolamento térmico - um criostato. No interior, existe um sistema magnético de cobre de bobinas toroidais e poloidais, dentro das quais há uma câmara de vácuo de tokamak. Uma característica técnica importante são as bobinas de fusão e compressão, que resolvem o problema de volume insuficiente na coluna central do solenóide central.

Então, ST40. Esta é uma máquina puramente de pesquisa, que deve se tornar um dos estágios intermediários no caminho para o protótipo de energia ST185 (que será construído de acordo com o plano em 2025, do qual existem dúvidas muito sérias sobre isso no final). Um tokamak esférico com um raio de plasma de apenas 40 cm, uma câmara de vácuo de 1,5 x 2,2 metros - uma migalha no cenário de carros sérios. Após a conclusão completa, deve atingir os parâmetros plasmáticos com Q = 1 ... 2 (e, consequentemente, uma temperatura de 10 keV, também um registro para tamanhos tão pequenos), onde Q é a razão entre a energia termonuclear e o aquecimento. Gostaria de lembrá-lo que hoje o registro Q = 1.2 para o tokamak JT-60U com volume de plasma é dezenas de vezes maior e localizado próximo ao ST40 JET, também com volume de plasma 40 vezes maior, apenas Q = 0,7 ao mesmo tempo. De fato, se os parâmetros calculados do ST40 forem confirmados, será um avanço incrível para os tokamaks.


A simulação do rendimento de nêutrons ST40 para o plasma DT por vários métodos. O recálculo dos parâmetros de outro tokamak esférico MAST fornece cerca de 3 megawatts de energia termonuclear a 2 megawatts de aquecimento, isto é, Q ~ 1.5, no entanto, o resultado pode ser pior.

O que distingue exatamente o ST40 de seus antecessores? Este é um tokamak esférico com um campo suficientemente forte de 3 Tesla (deve-se notar que é um registro entre os tokamaks esféricos), otimizado o máximo possível para obter um Q alto. Um campo alto é uma conquista em si. O problema com os tokamaks esféricos é que a física requer uma coluna central com o menor diâmetro possível (para aproximar a forma do plasma da esfera o mais próximo possível), o que significa a área mínima para os arcos internos das bobinas toroidais e do solenóide central. A corrente das bobinas toroidais determina a força do campo, apesar do fato de que a densidade da corrente não pode ser maior que certos parâmetros, que são para o cobre e para o sistema supercondutor. O solenóide central, por sua vez, é necessário para o bombeamento primário da energia do plasma, e seu tamanho também é rigidamente limitado por baixo.



Condutores de cobre de bobinas de campo toroidais e uma coluna central. 24 voltas em forma de D agrupadas em 3 (foto inferior à esquerda) na primeira etapa durante lançamentos por 1 ... 10 segundos corrente de condução de cerca de 100 kA

Acontece que as restrições de engenharia determinam um campo baixo em um tokamak esférico ... ou uma rejeição da abordagem padrão para o lançamento. O ST40 usa um novo método para iniciar o aquecimento do plasma e a geração de corrente de anel - compressão e reconexão de linhas magnéticas. Esse fenômeno é responsável pelas explosões solares e pode muito bem aquecer o plasma. A eficácia dessa abordagem não é clara e esta é a primeira tarefa do ST40 - ele aprenderá como iniciar uma corrente de plasma sem usar um solenóide central (o pequeno DC no design do ST40 ainda permanece para manter um perfil de corrente plano durante a inicialização, mas seu volume é cerca de 10 vezes menor do que no clássico esquema).


A reconexão magnética é um fenômeno de reconfiguração de um campo magnético quando dois tubos de campo com direções opostas “curto-circuitam” e desaparecem liberando energia. Na figura, esses são os tubos externos dos domínios de “entrada” e a energia é liberada nas direções das setas verticais.


A segunda solução de engenharia na tentativa de romper os limites é usar um sistema de cobre resfriado à temperatura do nitrogênio líquido. Isso reduz a resistência do cobre em 20 a 30 vezes e permite aumentar a densidade da corrente em dezenas de vezes. O truque que permitirá que o pequeno ST40 alcance máquinas grandes e caras em termos de Q e energia termonuclear é um beco sem saída - essa solução não permite a mudança para um tokamak que funciona por mais de 10 segundos. A TE aqui conta com supercondutividade a alta temperatura; no entanto, a densidade de engenharia necessária na coluna de corrente central (pelo menos 100 amperes por milímetro quadrado) é bastante difícil de obter, dado o volume ocupado pelo isolamento elétrico e térmico, proteção por nêutrons, componente estrutural etc. Por exemplo, nos ímãs toroidais ITER, a densidade da corrente de engenharia é de apenas 11 A / mm ^ 2. Este é um dos obstáculos mais difíceis para os tokamaks esféricos, e como a Tokamak Energy irá resolvê-lo é desconhecido.


Anel para prender as bobinas de reconexão à compressão dentro da câmara de vácuo ST40. Os engenheiros da Tokamak Energy já enfrentaram um problema do mundo dos ímãs termonucleares - grandes forças motoras deformadas da lagoa, mas para o protótipo de energia essas forças crescerão por uma ordem de magnitude.

Como eu disse, este projeto evoca sentimentos contraditórios. Um deles é a surpresa incondicional e até o entusiasmo pelos parâmetros de uma pequena instalação termonuclear, que em teoria coloca os tokamaks mais sérios com financiamento estatal de centenas de milhões de dólares em um cinto. O segundo sentimento é decepção da realidade.

Na realidade, o “lançamento” do ST40 é apenas um conjunto de vácuo e limpeza das superfícies internas por uma descarga de brilho no plasma de lítio (linda cor verde). O sistema magnético ainda não foi montado e montado em uma câmara de vácuo, mesmo na configuração mais simples, embora, de acordo com os planos de um ano atrás, isso deva ter acontecido na virada do ano 16/17. Antes dos registros fecharem as correias JET e JT-60U, a instalação ainda precisa passar por várias atualizações sérias (instalar um criostato ao redor do tokamak, criar um sistema de resfriamento de nitrogênio líquido para ímãs, atualizar o sistema de alimentação de ímãs para até dez vezes a quantidade de energia armazenada, instalar injetores de feixe neutro etc.) .) - em tal ritmo de trabalho, apenas essas tarefas podem se arrastar até 2025.


Embora a câmara de vácuo ST40 não seja um produto tão simples, sua complexidade é muito menor do que toda a instalação, sem mencionar o supercondutor subsequente "ST *". Então, os engenheiros da TE estão apenas no começo.

A “energia termonuclear”, que discutimos ao falar sobre Q, no caso do ST40, também será um pouco virtual, convertida da saída de nêutrons do plasma DD (com a qual o ST40 realmente trabalhará) em DT (no entanto, essa conversão da energia de nêutrons é feita de maneira inequívoca) . Isso se deve ao fato de que trabalhar com trítio significa uma classe de instalação completamente diferente, com muitos anos de obtenção de uma licença para um regulador atômico e provavelmente com a construção de um complexo especial de edifícios. Talvez a TE já esteja conduzindo esse trabalho para obter mais licenças nucleares, se não for para isso, e depois para o próximo carro, mas até agora isso não é anunciado de forma alguma, não é visível nas soluções e planos de engenharia da campanha. Ou seja, o componente nuclear dos tokamaks é um tipo de Everest, no qual muito poucos projetos podem subir - é muito difícil, muito caro e inseguro. O componente nuclear determina o custo e a aparência da engenharia da usina, e “esquecê-lo” significa esquecer cerca de 50% da complexidade e complexidade.

Esses pensamentos nos levam suavemente à pergunta à qual não tenho resposta - quem e por que está investindo hoje em startups de fusão em todo o mundo? A última década viu um claro boom de tais projetos - Tokamak Energy, Tri Alpha Energy , General Fusion , Helion Energy e outros , apesar do mercado de eletricidade estar deprimido e a construção de novas usinas de qualquer tipo não ser lucrativa sem subsídios, com exceção dos países em desenvolvimento. Se a Tri Alpha desenvolver a idéia de instalar uma fusão sem nêutrons, o que pode não exigir licenciamento, e a General Fusion espera que a idéia de uma fusão de "baixa tecnologia" funcione, então para esquemas mais ou menos tradicionais é difícil imaginar como você pode pagar por isso - da mesma maneira quão difícil é imaginar o retorno de um "reator nuclear em todas as casas", apesar da viabilidade de engenharia de tal instalação.

Ou os investidores ainda estão no paradigma dos anos 60 ... 70, ou estão esperando novos mercados (por exemplo, substituindo usinas a carvão na busca pela redução das emissões de CO2) ou a psicologia de risco investe em projetos para grandes mercados (e o mercado de eletricidade ainda é um dos maiores). No entanto, permanece o fato de que, no mundo moderno, existe dinheiro que permite que você verifique muitas idéias "perpendiculares" em ferro, e talvez uma delas forneça a primeira energia termonuclear antes mesmo de o ITER atingir sua capacidade total.

PS Usamos fotos do instagram da Tokamak Energy , um artigo sobre a base física e de engenharia do ST40 e a "filosofia" física de escolher um tamanho de tokamak .