Термоядерная энергия

Термоядерная энергия Термоядерная энергетика Предлагаемая форма производства электроэнергии за счет реакций ядерного синтеза   Устройства для использования этой энергии называются термоядерными […]

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  

Полный текст статьи:

Термоядерная энергия

Оставьте комментарий

Прокрутить вверх