Термоядерная энергия
-
Термоядерная энергетика
- Предлагаемая форма производства электроэнергии за счет реакций ядерного синтеза
- Устройства для использования этой энергии называются термоядерными реакторами
-
Исследования и проблемы
- Исследования начались в 1940-х годах, но ни одно устройство не достигло необходимой мощности
- Проблемы включают необходимость топлива и замкнутой среды с высокой температурой, давлением и временем удержания
-
Критерий Лоусона
- Комбинация температуры, давления и времени удержания для производства энергии
- В звездах водород используется как топливо, гравитация обеспечивает длительное время удержания
-
Топливо и реакторы
- Используются тяжелые изотопы водорода, такие как дейтерий и тритий
- Тритий редок, его период полураспада составляет 12,3 года
- Реакторы-размножители используют гальванические слои для выработки трития
-
Преимущества и недостатки
- Преимущества: снижение радиоактивности, небольшое количество отходов, достаточные запасы топлива
- Недостатки: трудно обеспечить необходимые условия, управление нейтронами
-
Концепции удержания
- Ведущие разработки: токамак и инерционное удержание с помощью лазера
- Другие проекты: сплав намагниченных мишеней, инерционное электростатическое удержание
-
Механизм термоядерного синтеза
- Реакции происходят при сближении атомных ядер, преодолевая электростатическое отталкивание
- Водород имеет наименьшее количество усилий для достижения термоядерного синтеза
-
Поперечное сечение и критерий Лоусона
- Поперечное сечение реакции зависит от относительной скорости ядер
- Критерий Лоусона учитывает энергетический баланс между производством и потерями энергии
-
Тройной продукт и улавливание энергии
- Тройной продукт: плотность плазмы, температура и время удержания
- Улавливание энергии: нагрев жидкости, использование нейтронов для получения ядерного топлива
-
Конструкции и методы термоядерного синтеза
- Протон-борная анейтронная термоядерная реакция выделяет больше энергии в виде заряженных частиц.
- Системы извлечения энергии основаны на перемещении зарядов.
- Прямое преобразование энергии в LLNL показало эффективность 48%.
-
Поведение плазмы
- Плазма проводит электричество и моделируется магнитной гидродинамикой.
- Самоорганизующаяся плазма генерирует поля, сдерживающие её.
- Диамагнитная плазма генерирует внутреннее магнитное поле.
- Магнитные зеркала отражают плазму.
-
Методы магнитного удержания
- Токамак: наиболее разработанный метод, использует внутренний ток для движения плазмы.
- Сферический токамак: разновидность токамака сферической формы.
- Стелларатор: создает искривленную плазменную траекторию с помощью внешних магнитов.
- Внутренние кольца: используют проводники внутри плазмы для скручивания.
- Магнитное зеркало: отражает плазму взад и вперед.
- Выпуклый тор: несколько магнитных зеркал удерживают плазму.
- Конфигурация с обратным полем: улавливает плазму в самоорганизующуюся структуру.
- Сферомак: полустабильная плазменная структура с самогенерируемым магнитным полем.
- Диномак: сферомак с непрерывным нагнетанием магнитного потока.
- Сжатие с обратным полем: плазма движется внутри кольца с внутренним магнитным полем.
-
Инерционное удержание
- Непрямой привод: лазеры нагревают топливную таблетку, вызывая сжатие.
- Прямой привод: лазеры нагревают топливные гранулы.
- Быстрое воспламенение: два лазерных луча сжимают и воспламеняют топливо.
- Магнитно-инерционный синтез: лазерный импульс сочетается с магнитным сжатием.
- Ионные лучи: заменяют лазеры для нагрева топлива.
- Z-машина: пропускает ток через вольфрамовые проволоки для нагрева.
-
Магнитные или электрические зажимы
- Z-пинч: ток проходит через плазму, создавая магнитное поле.
- Тета-пинч: ток циркулирует по внешней стороне плазменного столба.
- Стабилизированный сдвигом потока Z-Pinch: использует нейтральный газ для сглаживания нестабильности.
- Винтовой зажим: сочетает тета- и z-зажим для стабилизации.
-
Инерционное электростатическое удержание
- Термоядерный синтез: электрическое поле нагревает ионы.
- Polywell: сочетает магнитное удержание с электростатическими полями.
-
Другие методы
- Термоядерный синтез с намагниченной мишенью: удерживает плазму магнитным полем и сжимает инерцией.
- Неконтролируемый: инициируется неконтролируемыми взрывами ядерного деления.
- Слияние лучей: пучок частиц высокой энергии инициирует слияние.
- Термоядерный синтез, катализируемый мюонами: заменяет электроны мюонами для сжатия ядер.
- Термоядерный синтез с удержанием в решетке: насыщенные дейтронами металлы подвергаются гамма-излучению.
-
Общие инструменты
- Используются различные подходы, оборудование и механизмы для термоядерного нагрева и производства электроэнергии.
- Машинное обучение: системы глубокого обучения используются для управления реакторами.
-
Электростатический нагрев
- Электрическое поле нагревает заряженные ионы или электроны
- Используется в инжекции нейтрального пучка
-
Инжекция нейтрального пучка
- Водород ионизируется и ускоряется электрическим полем
- Нейтральный пучок передает энергию плазме, ионизируя и удерживая её
- Оставшийся заряженный пучок отводится магнитными полями
-
Радиочастотный нагрев
- Радиоволна заставляет плазму колебаться
- Используется в гиротронах и диэлектриках
-
Магнитное пересоединение
- Магнитное пересоединение помогает термоядерному синтезу
- До 45% энергии магнитного поля может нагревать ионы
-
Магнитные колебания
- Магнитные катушки нагревают плазму в магнитной стенке
-
Аннигиляция антипротонов
- Антипротоны могут вызывать термоядерные реакции
- Исследована в проекте AIMStar
-
Диагностика термоядерного реактора
- Диагностика сложна и разнообразна
- Коммерциализация требует дополнительных возможностей для измерения и разделения газов
-
Магнитная петля
- Вводится проволочная петля для измерения магнитного потока
- Используется в экспериментах National Compact Stellarator Experiment и polywell
-
Зонд Ленгмюра
- Металлический предмет в плазме собирает заряженные частицы
- Кривая IV используется для определения плотности, потенциала и температуры плазмы
-
Томсоновское рассеяние
- Световые лучи используются для реконструкции поведения плазмы
- Применяется в термоядерном синтезе с инерционным удержанием и токамаках
-
Детекторы нейтронов
- Регистрируют скорость образования нейтронов
- Используются в различных системах
-
Производство электроэнергии
- Нейтронные одеяла поглощают нейтроны и нагревают одеяло
- Паровые турбины и нейтронные слои могут извлекать энергию
- Прямое преобразование преобразует кинетическую энергию в напряжение
-
Лишение свободы
- Удержание плазмы требует равновесия, стабильности и медленной потери материала
- Магнитное удержание использует магнитные зеркала и петли
- Инерционное удержание использует быструю имплозию для нагрева и удержания плазмы
- Электростатическое удержание использует электростатические поля
-
Топливо
- Используются легкие элементы, такие как протий, дейтерий и тритий
- Реакция дейтерия и гелия-3 требует гелия-3, который трудно найти
- Реакция протий-бор-11 рассматривается как альтернатива
-
Дейтерий-тритиевый топливный цикл
- Требует получения трития из лития
- Нейтрон-реагент образуется в результате термоядерной реакции D-T
- Реакция с 6Li экзотермическая, с 7Li эндотермическая
- Реакции размножения нейтронов необходимы для замены потерянных нейтронов
- Природный литий содержит мало трития, используются схемы размножения с 6Li
-
Недостатки D-T
- Подача нейтронов приводит к нейтронной активации материалов
- 80% энергии уносится нейтронами, что ограничивает прямое преобразование энергии
- Требуется радиоизотоп тритий, который может вытекать из реакторов
- Поток нейтронов в коммерческом реакторе D-T в 100 раз превышает поток в реакторах деления
-
Дейтерий-дейтериевый топливный цикл
- Слияние двух ядер дейтерия, две ветви реакции
- Первая ветвь производит тритий, вторая ветвь имеет меньшую энергию нейтронов
- Термоядерный синтез с подавлением трития позволяет избежать выделения трития
- Недостатки: время удержания энергии в 30 раз больше, мощность в 68 раз меньше
-
Дейтерий, гелий-3 топливный цикл
- Комбинирует гелий-3 и дейтерий, образуя 4He и протон
- Побочные реакции производят значительное количество нейтронов
- p-11B является предпочтительным циклом для неэлектронного синтеза
-
Протон, бор-11 топливный цикл
- Наиболее реакционноспособное топливо — 3He, но требует внеземной добычи
- Слияние протия и бора образует альфа-частицы, энергия которых может быть преобразована в электрическую
- Оптимальная температура 123 кэВ, удельная мощность в 2500 раз ниже, чем у D-T
-
Выбор материала
- Стабильность материалов критична, важны устойчивость к высоким температурам и нейтронной бомбардировке
- Материалы с наименьшей объемной растворимостью водорода и коэффициентом диффузии оптимальны
- Методы нанесения покрытий и альтернативные методы важны для создания прочных барьеров
-
Сверхпроводящие материалы
- В намагниченной плазме скорость термоядерного синтеза зависит от напряженности магнитного поля
- Разработаны высокотемпературные сверхпроводящие устройства
- В 2021 году компания SuperOx разработала новый производственный процесс для сверхпроводящей проволоки YBCO
-
Соображения по сдерживанию
- Защитное устройство подвергается воздействию вещества и энергии
- Конструкции должны учитывать цикл нагрева и охлаждения, нейтронное излучение, ионы, альфа-частицы, электроны и световое излучение
-
Эффекты и материалы
- Уровень радиации в 100 раз выше, чем в реакторах деления
- Материалы не должны превращаться в долгоживущие радиоактивные отходы
- Вольфрам считается оптимальным материалом для плазменной обработки
-
Состояние поверхности плазменной стенки
- Каждый атом в стенке подвергается воздействию нейтрона 100 раз
- Высокоэнергетические нейтроны производят водород и гелий, что приводит к набуханию и охрупчиванию
-
Выбор материалов
- Вольфрам имеет низкую скорость распыления и высокую температуру плавления
- Жидкие металлы (литий, галлий, олово) могут быть использованы для инжекции струй
- Графит и керамические материалы имеют проблемы с эрозией и накоплением трития
-
Безопасность и окружающая среда
- Термоядерные реакторы не подвержены катастрофическому расплавлению
- Вероятность аварий и воздействие на окружающую среду важны для социальной лицензии
- Термоядерные реакторы работают с запасом топлива в считанные секунды
-
Гашение магнита
- Гашение магнита происходит из-за вихревых токов и нагрева медной подложки
- Необратимые повреждения магнита редки, но возможны
- Магниты обычно снабжены предохранительными устройствами
-
Сточные воды и радиоактивные отходы
- Естественным продуктом термоядерной реакции является гелий, который безвреден
- Тритий трудно сохранить полностью, но его риск для здоровья ниже, чем у других радиоактивных загрязнителей
- Термоядерные реакторы создают меньше радиоактивных отходов, чем реакторы деления
-
Радиотоксичность и безопасность
- Через 500 лет материал будет обладать такой же радиотоксичностью, как угольная зола.
- Отнесение отходов к среднеактивным может осложнить обсуждение безопасности.
- Термоядерные реакторы могут использовать материалы с низкой активацией.
-
Ядерное распространение
- Термоядерная энергетика может быть адаптирована для производства материалов военного назначения.
- Тритий может быть произведен на термоядерной электростанции.
- Энергичные нейтроны могут быть использованы для получения оружейного плутония.
-
Запасы топлива
- Термоядерная энергетика использует дейтерий и литий.
- Запасов лития хватит на 3000 лет, лития из морской воды — на 60 миллионов лет.
- Запасов дейтерия хватит на 150 миллиардов лет.
-
Экономика
- ЕС и США инвестируют значительные средства в термоядерную энергетику.
- С 2010 года частные компании и инвесторы активно участвуют в финансировании.
- Сценарии предполагают коммерциализацию термоядерной энергетики к 2050 году.
-
Экономическая конкурентоспособность
- Возобновляемые источники энергии обеспечивают 74% мировой энергии к 2050 году.
- Термоядерная энергетика сталкивается с высокими начальными и капитальными затратами.
- Стоимость энергии для термоядерных установок может быть высокой.
-
Термоядерная энергетика и её роль в энергетике
- Термоядерная энергетика может восполнить пробелы в возобновляемых источниках энергии.
- В 2020-х годах начались социально-экономические исследования термоядерного синтеза.
- Япония объявила о национальной стратегии индустриализации термоядерного синтеза.
-
Регулирование термоядерной энергетики
- Необходимо решать правовые и нормативные вопросы.
- В США и Великобритании приняты законы, регулирующие термоядерный синтез.
- В Великобритании принят закон, отделяющий термоядерный синтез от деления.
-
Геополитика и международные инициативы
- Термоядерный синтез рассматривается как часть научной дипломатии.
- США и Китай ведут «новую космическую гонку» в термоядерной энергетике.
- Великобритания и США объявили о двустороннем партнерстве.
-
Преимущества и недостатки термоядерной энергетики
- Термоядерная энергетика обеспечивает больше энергии на единицу веса топлива.
- Недостатки включают радиоактивные отходы и сложность производства трития.
- Термоядерная энергия может быть использована в космосе и для исследования межзвездного пространства.
-
История термоядерного синтеза
- В 1957 году британцы заявили о достижении реакции термоядерного синтеза, но это оказалось ошибкой.
- В 1960-х годах начались эксперименты по инерционному удержанию с использованием лазеров.
- В 1980-х годах были построены токамаки Tore Supra, JET и другие.
-
Современные достижения
- В 2000-х годах появились частные термоядерные компании, такие как TAE Technologies и General Fusion.
- В 2010-х годах ускорились исследования, включая разработку плазменных инжекторов и создание стелларатора Wendelstein 7-X.
- В 2020-х годах достигнуты значительные успехи, включая коммерческий запуск плазменной установки Helion Energy и финансирование проектов, таких как Polaris и SPARC.
-
Будущее термоядерной энергетики
- В 2023 году в Японии открыт самый большой токамак JT-60SA.
- Южнокорейский проект термоядерного реактора успешно работал в режиме повышенной герметичности.
- Министерство энергетики США предоставило гранты на поддержку термоядерных исследований и проектов.
-
Коммерциализация термоядерной энергетики
- Авторы: Уильям Дж. Наттолл, Сатоши Кониши, Шутаро Такеда и Дэвид Уэбби-Вуд
- Год публикации: 2020
- Издательство: IOP
- ISBN: 978-0750327176
-
Дальнейшее чтение
- Орескес, Наоми, «Ложное обещание термоядерного синтеза»
- Статья в Scientific American, vol. 328, no. 6 (июнь 2023 г.), стр. 86
-
Внешние ссылки
- Информационная система термоядерного устройства
- Основа термоядерной энергетики
- Ассоциация термоядерной промышленности
- Новости спутниковых систем Принстона
- США. Научная программа по термоядерной энергетике