Fúzní síla - Fusion power

Společný evropský torus (JET) magnetickou experiment fúze v roce 1991

Fúzní energie je navrhovaná forma výroby energie, která by vyráběla elektřinu pomocí tepla z jaderných fúzních reakcí . Při fúzním procesu se dvě lehčí atomová jádra spojí a vytvoří těžší jádro, přičemž uvolní energii. Zařízení určená k využití této energie se nazývají fúzní reaktory.

Fúzní procesy vyžadují palivo a uzavřené prostředí s dostatečnou teplotou , tlakem a dobou uvěznění k vytvoření plazmy, ve které může dojít k fúzi. Kombinace těchto čísel, která vede k systému produkujícímu energii, je známá jako Lawsonovo kritérium . Ve hvězdách je nejběžnějším palivem vodík a gravitace poskytuje extrémně dlouhé doby uvěznění, které dosahují podmínek potřebných pro výrobu energie z fúze. Navrhované fúzní reaktory obecně používají izotopy vodíku, jako je deuterium a tritium (a zejména směs těchto dvou ), které reagují snadněji než vodík, aby mohly splnit požadavky Lawsonova kritéria za méně extrémních podmínek. Většina návrhů má za cíl zahřát palivo na přibližně 100 milionů stupňů, což představuje hlavní výzvu při výrobě úspěšného designu.

Očekává se, že jaderná fúze bude mít jako zdroj energie oproti štěpení mnoho výhod . Patří mezi ně snížená radioaktivita v provozu a málo vysoce aktivního jaderného odpadu , dostatečné zásoby paliva a zvýšená bezpečnost. Ukázalo se však, že nezbytnou kombinaci teploty, tlaku a trvání je obtížné vyrobit praktickým a ekonomickým způsobem. Výzkum fúzních reaktorů byl zahájen ve čtyřicátých letech minulého století, ale do dnešního dne žádná konstrukce nevytvořila větší výkon fúzní energie než elektrický příkon. Druhým problémem, který ovlivňuje běžné reakce, je správa neutronů, které se během reakce uvolňují a které časem degradují mnoho běžných materiálů používaných v reakční komoře.

Vědci z oblasti fúze zkoumali různé koncepty uvěznění. Počáteční důraz byl kladen na tři hlavní systémy: z-pinch , stellarator a magnetické zrcadlo . Současnými předními designy jsou tokamak a inerciální vězení (ICF) laserem . Oba návrhy jsou ve výzkumu ve velmi velkých měřítcích, zejména tokamak ITER ve Francii a laser National Ignition Facility (NIF) ve Spojených státech. Vědci také studují další návrhy, které mohou nabídnout levnější přístupy. Mezi těmito alternativami roste zájem o magnetizovanou cílovou fúzi a inerciální elektrostatické uzavření a nové variace stellarátoru.

Pozadí

Slunce , stejně jako ostatní hvězdy , je přírodní fúzní reaktor, kde hvězdné nucleosynthesis transformuje lehčích prvků do těžších prvků s uvolněním energie.
Vazebná energie pro různá atomová jádra . Iron-56 má nejvyšší, takže je nejstabilnější. Jádra vlevo pravděpodobně uvolní energii, když se spojí ( fúze ); ti úplně vpravo budou pravděpodobně nestabilní a uvolní energii, když se rozdělí ( štěpení ).

Mechanismus

K fúzním reakcím dochází, když se dvě nebo více atomových jader dostanou dostatečně blízko na tak dlouhou dobu, že je jaderná síla , která je táhne k sobě, překračuje elektrostatickou sílu, která je tlačí od sebe a spojuje je do těžších jader. U jader těžších než železo-56 je reakce endotermická a vyžaduje přísun energie. Těžká jádra větší než železo mají mnohem více protonů, což má za následek větší odpudivou sílu. U jader lehčích než železo-56 je reakce exotermická a při fúzi uvolňuje energii. Vzhledem k tomu, že vodík má v jádru jediný proton, vyžaduje k dosažení fúze nejmenší úsilí a poskytuje největší čistý energetický výdej. Vzhledem k tomu, že má jeden elektron, je vodík nejjednodušším palivem k úplné ionizaci.

Silná síla působí pouze na krátké vzdálenosti (nejvýše jeden femtometr, průměr jednoho protonu nebo neutronu), zatímco odpudivá elektrostatická síla mezi jádry působí na delší vzdálenosti. Aby mohly být atomy paliva podrobeny fúzi, musí jim být poskytnuta dostatečná kinetická energie, aby se k sobě dostaly dostatečně blízko, aby silná síla překonala elektrostatické odpuzování. Množství kinetické energie potřebné k přiblížení atomů paliva dostatečně blízko se nazývá „ Coulombova bariéra “. Mezi způsoby poskytování této energie patří zrychlení atomů v urychlovači částic nebo jejich zahřátí na vysoké teploty.

Jakmile se atom zahřeje nad svou ionizační energii, jeho elektrony se odizolují a zůstane jen holé jádro. Tento proces je známý jako ionizace a výsledné jádro je známé jako iont . Výsledkem je horký oblak iontů a volných elektronů dříve k nim připojených známý jako plazma . Protože jsou náboje odděleny, jsou plazmy elektricky vodivé a magneticky regulovatelné. Mnoho fúzních zařízení toho využívá k ohraničení částic při jejich zahřívání.

Průřez

Rychlost fúzní reakce se rychle zvyšuje s teplotou, dokud se maximalizuje, a poté postupně klesá. Rychlost fúze deuterium-tritium vrcholí při nižší teplotě (asi 70 keV nebo 800 milionů kelvinů) a při vyšší hodnotě než jiné reakce běžně uvažované pro fúzní energii.

Průřez reakce , označený σ, měří pravděpodobnost, že dojde k fúzní reakci. To závisí na relativní rychlosti dvou jader. Vyšší relativní rychlosti obecně zvyšují pravděpodobnost, ale pravděpodobnost začíná opět klesat při velmi vysokých energiích.

V plazmě lze rychlost částic charakterizovat pomocí rozdělení pravděpodobnosti . Pokud je plazma termalizována , vypadá distribuce jako Gaussova křivka nebo Maxwell -Boltzmannova distribuce . V tomto případě je užitečné použít průměrný průřez částic přes rozdělení rychlosti. Toto se zadává do objemové rychlosti fúze:

kde:

  • je energie vyrobená fúzí za čas a objem
  • n je hustota počtu druhů A nebo B částic v objemu
  • je průřez touto reakcí, průměrný pro všechny rychlosti těchto dvou druhů v
  • je energie uvolněná touto fúzní reakcí.

Lawsonovo kritérium

Tyto kritérium Lawson ukazuje, jak energetický výkon se liší podle teploty, hustoty, rychlosti kolize pro dané palivo. Tato rovnice byla ústředním bodem analýzy Johna Lawsona fúze pracující s horkou plazmou. Lawson předpokládal energetickou bilanci , jak je ukázáno níže.

  • η , účinnost
  • , ztráty vedení, když energetická hmota opouští plazmu
  • , ztráty radiace jako energie odchází jako světlo
  • , čistý výkon z fúze
  • , je rychlost energie generované fúzními reakcemi.

Plazmové mraky ztrácejí energii vedením a zářením . K vedení dochází, když ionty , elektrony nebo neutrály dopadnou na jiné látky, obvykle na povrch zařízení, a přenesou část své kinetické energie na jiné atomy. Záření je energie, která opouští mrak jako světlo. Radiace se zvyšuje s teplotou. Technologie fúzní energie musí tyto ztráty překonat.

Trojitý produkt: hustota, teplota, čas

Kritériem Lawson tvrdí, že stroj drží thermalized a kvazi- neutrální plazma musí generovat dostatek energie k překonání svých energetických ztrát. Množství energie uvolněné v daném objemu je funkcí teploty, a tedy reakční rychlosti na bázi částic, hustoty částic v tomto objemu a nakonec doby uvěznění, doby, po kterou energie zůstává uvnitř hlasitost. Toto je známé jako „trojitý produkt“: hustota plazmy, teplota a doba porodu.

V magnetickém vězení je hustota nízká, řádově „dobré vakuum“. Například v zařízení ITER je hustota paliva asi 10 x 10 19 , což je asi jedna miliontina atmosférické hustoty. To znamená, že teplota a/nebo doba porodu se musí zvýšit. Fúzně relevantních teplot bylo dosaženo použitím různých metod ohřevu, které byly vyvinuty na začátku 70. let minulého století. V moderních strojích byl od roku 2019 hlavním zbývajícím problémem čas uvěznění. Plazmy v silných magnetických polích podléhají řadě inherentních nestabilit, které musí být potlačeny, aby dosáhly užitečné doby trvání. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je jednoduše zvětšit objem reaktoru, což snižuje rychlost prosakování v důsledku klasické difúze . Proto je ITER tak velký.

Naproti tomu systémy setrvačného uvěznění přistupují k užitečným trojitým hodnotám produktů prostřednictvím vyšší hustoty a mají krátké intervaly uvěznění. V NIF má počáteční náplň zmrzlého vodíkového paliva hustotu menší než voda, která se zvýší asi na stonásobek hustoty olova. Za těchto podmínek je rychlost fúze tak vysoká, že se palivo roztaví v mikrosekundách, které je potřeba k tomu, aby teplo generované reakcemi palivo rozfouklo. Přestože je NIF také velký, je to funkce jeho návrhu „ovladače“, který není vlastní procesu fúze.

Zachytávání energie

Bylo navrženo několik přístupů k zachycení energie, kterou fúze produkuje. Nejjednodušší je ohřát tekutinu. Běžně cílená reakce DT uvolňuje velkou část své energie jako rychle se pohybující neutrony. Elektricky neutrální neutron není systémem uvěznění ovlivněn. Ve většině takových provedení je zachycen v tlusté „dece“ lithia obklopující jádro reaktoru. Když je zasažen vysokoenergetickým neutronem, pokrývka se zahřeje. Poté je aktivně chlazen pracovní tekutinou, která pohání turbínu a vyrábí energii.

Další návrh navrhl použít neutrony k chovu štěpného paliva v dece jaderného odpadu , koncept známý jako hybrid štěpení a fúze . V těchto systémech je výkon vylepšen štěpnými událostmi a energie je odebírána pomocí systémů podobných těm v konvenčních štěpných reaktorech.

Návrhy, které využívají jiná paliva, zejména proton- boronutronickou fúzní reakci, uvolňují mnohem více své energie ve formě nabitých částic. V těchto případech jsou možné systémy pro extrakci energie založené na pohybu těchto nábojů. Přímá přeměna energie byla vyvinuta v národní laboratoři Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) v 80. letech minulého století jako metoda pro udržování napětí přímo pomocí produktů fúzní reakce. To prokázalo účinnost zachycování energie 48 procent.

Metody

Plazmové chování

Plazma je ionizovaný plyn, který vede elektřinu. Hromadně je modelován pomocí magnetohydrodynamiky , což je kombinace Navierových -Stokesových rovnic řídících tekutiny a Maxwellových rovnic řídících, jak se chovají magnetická a elektrická pole . Fusion využívá několik vlastností plazmy, včetně:

  • Samoorganizující se plazma vede elektrická a magnetická pole. Jeho pohyby generují pole, která je naopak mohou obsahovat.
  • Diamagnetické plazma může generovat vlastní vnitřní magnetické pole. To může odmítnout externě aplikované magnetické pole, což je diamagnetické.
  • Magnetická zrcadla mohou odrážet plazmu, když se pohybuje z pole s nízkou až vysokou hustotou. : 24

Magnetické uvěznění

  • Tokamak : nejrozvinutější a nejlépe financovaný přístup. Tato metoda pohání horkou plazmu v magneticky uzavřeném torusu s vnitřním proudem. Po dokončení se ITER stane největším tokamakem na světě. V dubnu 2012 bylo odhadem 215 experimentálních tokamaků celosvětově plánováno, vyřazeno z provozu nebo v provozu (35).
  • Sférický tokamak : také známý jako sférický torus. Variace na tokamaku s kulovým tvarem.
  • Stellarator : Zkroucené prstence horké plazmy. Stellarator se pokouší vytvořit přirozenou zkroucenou plazmatickou cestu pomocí externích magnetů. Stellarátory vyvinul Lyman Spitzer v roce 1950 a vyvinuly se do čtyř provedení: Torsatron, Heliotron, Heliac a Helias. Jedním z příkladů je Wendelstein 7-X , německé zařízení. Jedná se o největší stellarator na světě.
  • Vnitřní prstence: Stellarátory vytvářejí zkroucenou plazmu pomocí externích magnetů, zatímco tokamaky pomocí proudu indukovaného v plazmě. Několik tříd návrhů poskytuje tento kroucení pomocí vodičů uvnitř plazmy. Dřívější výpočty ukázaly, že kolize mezi plazmou a podpěrami pro vodiče by energii odstranily rychleji, než by ji mohly nahradit fúzní reakce. Moderní variace, včetně Levitated Dipole Experiment (LDX) , používají pevný supravodivý torus, který je magneticky levitován uvnitř komory reaktoru.
  • Magnetické zrcadlo : Vyvinutý Richardem F. Postem a týmy v LLNL v 60. letech minulého století. Magnetická zrcátka odrážejí plazmu tam a zpět v řadě. Variace zahrnovaly Tandemové zrcadlo , magnetickou láhev a bikonický hrot . Řada zrcadlových strojů byla postavena americkou vládou v 70. a 80. letech minulého století, hlavně v LLNL. Výpočty v 70. letech však odhadovaly, že je nepravděpodobné, že by byly někdy komerčně užitečné.
  • Hrbolatý torus : Řada magnetických zrcadel je uspořádána od sebe k sobě v toroidním prstenci. Jakékoli ionty paliva, které uniknou z jednoho, jsou uzavřeny v sousedním zrcadle, což umožňuje zvýšení plazmatického tlaku libovolně bez ztráty. Experimentální zařízení ELMO Bumpy Torus nebo EBT bylo postaveno a testováno v národní laboratoři Oak Ridge National Laboratory (ORNL) v 70. letech minulého století.
  • Field-reversed configuration : Toto zařízení zachycuje plazmu v samoorganizované kvazistabilní struktuře; kde pohyb částic vytváří vnitřní magnetické pole, které se pak samo zachycuje.
  • Spheromak : Podobný konfiguraci s obráceným polem, semi-stabilní struktura plazmy vytvořená pomocí magnetického pole generovaného plazmatem. Sferomak má jak toroidální, tak poloidální pole, zatímco konfigurace obrácené na pole žádné toroidální pole nemá.
  • Špetka obráceného pole : Zde se plazma pohybuje uvnitř prstence. Má vnitřní magnetické pole. Magnetické pole se pohybuje ze středu tohoto prstence a mění směr.

Inerciální uvěznění

  • Nepřímý pohon: Lasery zahřívají strukturu známou jako Hohlraum, která je tak horká, že začíná vyzařovat rentgenové světlo. Tyto rentgenové paprsky zahřívají palivovou peletu, což způsobí její kolaps dovnitř a stlačení paliva. Největší systém využívající tuto metodu je National Ignition Facility , těsně následovaný Laser Mégajoule .
  • Přímý pohon: Lasery přímo ohřívají palivové pelety. V Laboratoři pro laserovou energetiku (LLE) a zařízeních GEKKO XII byly provedeny pozoruhodné experimenty s přímým pohonem . Dobré imploze vyžadují palivové pelety téměř dokonalého tvaru, aby se vytvořila symetrická vnitřní rázová vlna, která produkuje plazmu s vysokou hustotou.
  • Rychlé zapálení: Tato metoda využívá dva laserové paprsky. První výbuch stlačí fúzní palivo, zatímco druhý ho zapálí. Od roku 2019 tato technika ztratila přízeň pro výrobu energie.
  • Magneto-inerciální fúze nebo magnetizovaná vložka inerciální fúze : Toto kombinuje laserový puls s magnetickou špetkou. Komunita špetky to označuje jako inerciální fúzi magnetizované vložky, zatímco komunita ICF to označuje jako magneto-inerciální fúzi.
  • Iontové paprsky: Ionové paprsky nahrazují laserové paprsky k ohřevu paliva. Hlavní rozdíl je v tom, že paprsek má hybnost v důsledku hmotnosti, zatímco lasery nikoli. V roce 2019 se zdá nepravděpodobné, že by iontové paprsky mohly být dostatečně zaostřeny prostorově a včas.
  • Z-stroj : Vysílá elektrický proud tenkými wolframovými dráty a dostatečně je zahřívá, aby generoval rentgenové paprsky. Stejně jako nepřímý pohon, tyto rentgenové paprsky pak stlačují palivovou kapsli.

Magnetické nebo elektrické špetky

  • Z-Pinch : Proud se pohybuje ve směru z plazmou. Proud vytváří magnetické pole, které stlačuje plazmu. Pinches byly první metodou pro umělou řízenou fúzi. Z-pinch má inherentní nestability, které omezují jeho kompresi a zahřívání na hodnoty příliš nízké pro praktickou fúzi. Největší takový stroj, britská ZETA , byl posledním velkým experimentem tohoto druhu. Problémy v z-pinch vedly k návrhu tokamaku. Husté plazma zaostření je možná lepší varianta.
  • Theta-Pinch: Proud krouží kolem vnější strany plazmového sloupce ve směru theta. To indukuje magnetické pole procházející středem plazmy, na rozdíl od jejího okolí. Prvotní theta-pinch zařízení Scylla bylo první, které přesvědčivě demonstrovalo fúzi, ale pozdější práce ukázaly, že má inherentní limity, díky nimž je pro výrobu energie nezajímavá.
  • Stabilizovaný Z-Pinch se stabilizovaným střižným tokem: Výzkum na Washingtonské univerzitě pod vedením Uri Shumlaka zkoumal použití stabilizace střižného toku k vyhlazení nestabilit reaktorů se Z-pinchem. To zahrnuje zrychlení neutrálního plynu podél osy špetky. Experimentální stroje zahrnovaly experimentální reaktory FuZE a Zap Flow Z-Pinch. V roce 2017 Benj Conway, Brian Nelson a Uri Shumlak spoluzaložili společnost Zap Energy, aby se pokusili komercializovat technologii pro výrobu energie.
  • Screw Pinch: Tato metoda kombinuje theta a z-pinch pro lepší stabilizaci.

Inerciální elektrostatické uvěznění

  • Fusor : Elektrické pole ohřívá ionty na podmínky fúze. Stroj obvykle používá dvě sférické klece, katodu uvnitř anody, uvnitř vakua. Tyto stroje nejsou považovány za životaschopný přístup k čistému výkonu kvůli jejich vysokýmztrátám vedením a zářením . Jsou dostatečně jednoduché na to, aby postavily na tom, že amatéři pomocí nich roztavili atomy.
  • Polywell : Pokusy o kombinaci magnetického omezení s elektrostatickými poli, aby se předešloztrátám vedení generovaným klecí.

jiný

  • Fúze magnetizovaného cíle : Omezuje horkou plazmu pomocí magnetického pole a stlačuje ji pomocí setrvačnosti. Mezi příklady patřístroj LANL FRX-L, General Fusion (pístová komprese s tekutou kovovou vložkou), HyperJet Fusion (plazmová trysková komprese s plazmovou vložkou).
  • Nekontrolovaný: Fúzi inicioval člověk pomocí nekontrolovaných štěpných výbuchů ke stimulaci fúze. Počáteční návrhy na fúzní sílu zahrnovaly použití bomb k zahájení reakcí. Viz projekt PACER .
  • Fúze paprsku: Paprsek vysokoenergetických částic vystřelený na jiný paprsek nebo cíl může zahájit fúzi. To bylo použito v 70. a 80. letech ke studiu průřezů fúzních reakcí. Systémy paprsků však nelze použít k napájení, protože zachování soudržnosti paprsku vyžaduje více energie, než pochází z fúze.
  • MIONOVÁ KATALÝZA : Tento postup nahrazuje elektrony v diatomic molekul z izotopů z vodíku s miony - hmotnější částice se stejným elektrickým nábojem . Jejich větší hmotnost stlačuje jádra natolik, že silná interakce může způsobit fúzi. V roce 2007 vyžadovala produkce mionů více energie, než je možné získat z fúze katalyzované mionem.

Běžné nástroje

Mnoho přístupů, zařízení a mechanismů se používá v několika projektech k řešení fúzního vytápění, měření a výroby energie.

Topení

  • Elektrostatické vytápění: elektrické pole může pracovat na nabitých iontech nebo elektronech a zahřívat je.
  • Injekce neutrálního paprsku : vodík je ionizován a urychlován elektrickým polem za vzniku nabitého paprsku, který je prosvícen zdrojem neutrálního plynného vodíku směrem k plazmě, která je sama ionizována a obsažena v magnetickém poli. Část mezilehlého plynného vodíku se urychluje směrem k plazmatu srážkami s nabitým paprskem, přičemž zůstává neutrální: tento neutrální paprsek tedy není ovlivněn magnetickým polem, a tak dosáhne plazmatu. Jakmile je neutrální paprsek uvnitř plazmatu, přenáší energii do plazmatu srážkami, které jej ionizují a umožňují jeho zachycení magnetickým polem, čímž se v jedné operaci zahřívá a doplňuje palivo do reaktoru. Zbytek nabitého paprsku je magnetickými poli odkloněn na skládky chlazeného paprsku.
  • Rádiofrekvenční ohřev: rádiová vlna způsobuje oscilaci plazmy (tj. Mikrovlnná trouba ). Toto je také známé jako ohřev elektronovou cyklotronovou rezonancí nebo dielektrický ohřev .
  • Magnetické opětovné připojení : když plazma zhoustne, její elektromagnetické vlastnosti se mohou změnit, což může vést k magnetickému opětovnému připojení . Opětovné připojení pomáhá fúzi, protože okamžitě ukládá energii do plazmy a rychle ji zahřívá. Ionty může ohřát až 45% energie magnetického pole.
  • Magnetické oscilace: do magnetických cívek lze přivádět různé elektrické proudy, které ohřívají plazmu uzavřenou v magnetické stěně.
  • Antiprotonová anihilace: antiprotony vstříknuté do hmoty fúzního paliva mohou vyvolat termonukleární reakce. Tato možnost jako způsobu pohonu kosmických lodí, známého jako nukleární pulzní pohon katalyzovaný antihmotou , byla zkoumána na Pennsylvania State University v souvislosti s navrhovaným projektem AIMStar .

Měření

  • Fluxová smyčka : do magnetického pole je vložena smyčka drátu. Jak pole prochází smyčkou, vytvoří se proud. Proud měří celkový magnetický tok touto smyčkou. To bylo použito na National Compact Stellarator Experiment , polywell a LDX . Lze použít Langmuirovu sondu , kovový předmět umístěný v plazmě. Je na něj aplikován potenciál, který mu dává napětí proti okolnímu plazmatu. Kov shromažďuje nabité částice a odebírá proud. Jak se mění napětí, mění se proud. Tím se vytvoří IV křivka . Křivku IV lze použít ke stanovení místní hustoty plazmatu, potenciálu a teploty.
  • Thomsonův rozptyl : Rozptyl světla z plazmatu, který lze použít k rekonstrukci chování plazmy, včetně hustoty a teploty. Je běžné, že v inerciální udržení , tokamacích a fusors . V systémech ICF vypálením druhého paprsku do zlaté fólie sousedící s cílem vytvoří rentgenové paprsky, které procházejí plazmou. U tokamaků to lze provést pomocí zrcadel a detektorů k odrazu světla.
  • Neutronové detektory : Několik typů neutronových detektorů může zaznamenávat rychlost, jakou jsou neutrony produkovány.
  • Rentgenové detektory Viditelné, infračervené, ultrafialové a rentgenové paprsky jsou emitovány vždy, když částice změní rychlost. Pokud je důvodem výchylka magnetickým polem, záření je cyklotronové záření při nízkých rychlostech a synchrotronové záření při vysokých rychlostech. Pokud je důvodem odklon od jiné částice, plazma vyzařuje rentgenové záření, známé jako Bremsstrahlungovo záření.

Výroba elektřiny

Neutronové přikrývky absorbují neutrony, což zahřívá přikrývku. Energii lze z deky odebírat různými způsoby:

  • Parní turbíny mohou být poháněny teplem přenášeným do pracovní tekutiny, která se mění na páru, pohánějící elektrické generátory.
  • Neutronové přikrývky: Tyto neutrony mohou regenerovat vyhořelé štěpné palivo. Tritium lze vyrábět pomocí chovné přikrývky složené z kapalného lithia nebo heliem chlazeného oblázkového lože vyrobeného z lithiových keramických oblázků.
  • Přímá přeměna : Kinetickou energii částice lze převést na napětí . Poprvé to navrhl Richard F. Post ve spojení s magnetickými zrcátky na konci šedesátých let minulého století. Byl navržen pro konfigurace s obráceným polem i pro zařízení s hustým plazmovým ostřením . Proces převádí velkou část náhodné energie fúzních produktů na směrovaný pohyb. Částice se pak shromažďují na elektrodách při různých velkých elektrických potenciálech. Tato metoda prokázala experimentální účinnost 48 procent.

Vězení

Prostor parametrů obsazený zařízením pro setrvačnou fúzní energii a magnetickou fúzní energií od poloviny 90. let 20. století. Režim umožňující termonukleární zapalování s vysokým ziskem leží poblíž pravého horního rohu grafu.

Uvěznění se týká všech podmínek nezbytných k udržení plazmy husté a horké dostatečně dlouho, aby prošla fúzí. Obecné zásady:

  • Rovnováha : Síly působící na plazmu musí být vyvážené. Jednou výjimkou je setrvačné uvěznění , kde fúze musí proběhnout rychleji, než je doba rozptylu.
  • Stabilita : Plazma musí být konstruována tak, aby poruchy nevedly k rozptýlení plazmy.
  • Transport nebo vedení : Ztráta materiálu musí být dostatečně pomalá. Plazma s sebou nese energii, takže rychlá ztráta materiálu naruší fúzi. Materiál může být ztracen transportem do různých oblastí nebo vedením přes pevnou látku nebo kapalinu.

K výrobě soběstačné fúze musí být část energie uvolněné reakcí použita k zahřátí nových reaktantů a udržení podmínek pro fúzi.

Neomezené

První člověk-vyrobený, ve velkém měřítku fúzní reakce byl test vodíkové bomby , Ivy Mike , v roce 1952.

Magnetické uvěznění

Magnetické zrcátko

Magnetický zrcadlový efekt. Pokud částice sleduje linii pole a vstoupí do oblasti s vyšší intenzitou pole, částice se mohou odrazit. Tento efekt používá několik zařízení. Nejslavnější byly stroje s magnetickým zrcadlem, řada zařízení postavených na LLNL od 60. do 80. let minulého století. Mezi další příklady patří magnetické lahve a Biconic cusp . Vzhledem k tomu, že zrcadlové stroje byly rovné, měly oproti prstencovým vzorům určité výhody. Zrcadla byla snáze konstruována a udržována a přímé zachycení energie přeměny bylo snazší implementovat. Špatné uvěznění vedlo k opuštění tohoto přístupu, s výjimkou polywellového designu.

Magnetické smyčky

Magnetické smyčky ohýbají siločáry zpět na sebe, buď v kruzích, nebo častěji v vnořených toroidních plochách. Nejvyspělejšími systémy tohoto typu jsou tokamak, stellarator a pinch obráceného pole. Kompaktní toroidy , zejména konfigurace s obráceným polem a sferomak, se pokoušejí spojit výhody toroidních magnetických povrchů s výhodami jednoduše připojeného (netoroidního) stroje, což má za následek mechanicky jednodušší a menší uzavřenou oblast.

Inerciální uvěznění

Inerciální uvěznění je použití rychlé imploze k ohřevu a uzavření plazmy. Plášť obklopující palivo je implodován pomocí přímého laserového výbuchu (přímý pohon), sekundárního rentgenového výbuchu (nepřímý pohon) nebo těžkých paprsků. Energetickými paprsky musí být palivo stlačeno na přibližně 30násobek hustoty pevných látek. Přímý pohon může být v zásadě účinný, ale nedostatečná uniformita zabránila úspěchu. : 19-20 Nepřímý pohon využívá paprsky k ohřevu skořápky, pohání skořápku k vyzařování rentgenových paprsků , které pak implodují peletu. Paprsky jsou obvykle laserové paprsky, ale byly zkoumány paprsky iontů a elektronů. : 182-193

Elektrostatické uvěznění

Elektrostatická izolační zařízení používají elektrostatická pole. Nejznámější je fusor . Toto zařízení má katodu uvnitř klece anodového drátu. Pozitivní ionty letí k záporné vnitřní kleci a jsou při tom ohřívány elektrickým polem. Pokud jim chybí vnitřní klec, mohou se srazit a splynout. Ionty obvykle dopadají na katodu, ale vytvářejí prohibitivní vysoké ztráty vedení . Rychlost fúze ve fixátorech je nízká kvůli konkurenčním fyzikálním efektům, jako je ztráta energie ve formě světelného záření. Byly navrženy návrhy, aby se předešlo problémům spojeným s klecí, a to generováním pole pomocí neutrálního cloudu. Patří mezi ně plazmové oscilační zařízení, magneticky stíněná mřížka, past na psaní , polywell a koncept katodového ovladače F1.

Paliva

Paliva uvažovaná pro fúzní energii byly všechny lehké prvky jako izotopy vodíku - protium , deuterium a tritium . Reakce deuteria a helia-3 vyžaduje helium-3, izotop helia tak vzácného na Zemi, že by musel být těžen mimozemsky nebo produkován jinými jadernými reakcemi. Vědci nakonec doufají, že přijmou reakci protium/bor-11, protože neprodukuje přímo neutrony, ačkoli vedlejší reakce mohou.

Deuterium/tritium

Schéma reakce DT

Nejjednodušší jadernou reakcí při nejnižší energii je D+T:

2
1
D
+ 3
1
T
4
2
On
(3,5 MeV) + 1
0
n
(14,1 MeV)

Tato reakce je běžná ve výzkumu, průmyslových a vojenských aplikacích, obvykle jako zdroj neutronů. Deuterium je přirozeně se vyskytující izotop vodíku a je běžně dostupné. Velký hmotnostní poměr izotopů vodíku usnadňuje jejich separaci ve srovnání s procesem obohacování uranu . Tritium je přirozený izotop vodíku, ale protože má krátký poločas rozpadu 12,32 let, je těžké ho najít, skladovat, vyrábět a je drahý. V důsledku toho je deuteria a tritia palivového cyklu vyžaduje chov a tritium od lithia za použití jednoho z následujících reakcí:

1
0
n
+ 6
3
Li
3
1
T
+ 4
2
On
1
0
n
+ 7
3
Li
3
1
T
+ 4
2
On
+ 1
0
n

Reaktantový neutron je dodáván fúzní reakcí DT ukázanou výše a tou, která má největší energetický výtěžek. Reakce s 6 Li je exotermická , což reaktoru poskytuje malý energetický zisk. Reakce se 7 Li je endotermická , ale nespotřebovává neutron. K nahrazení neutronů ztracených absorpcí jinými prvky jsou nutné multiplikační reakce neutronů. Předními kandidátskými materiály pro množení neutronů jsou berylium a olovo , ale reakce 7 Li pomáhá udržet populaci neutronů na vysoké úrovni. Přírodní lithium je hlavně 7 Li, které má nízký průřez produkce tritia ve srovnání se 6 Li, takže většina návrhů reaktorů používá chovatelské deky s obohaceným 6 Li.

Mezi nevýhody běžně přisuzované fúzní síle DT patří:

  • Dodávka neutronů má za následek aktivaci materiálů reaktoru neutrony . : 242
  • 80% výsledné energie je odváděno neutrony, což omezuje použití přímé přeměny energie.
  • Vyžaduje radioizotopové tritium. Z reaktorů může unikat tritium. Některé odhady naznačují, že by to představovalo podstatné uvolnění radioaktivity do životního prostředí.

Neutronový tok očekává v reaktoru komerčního DT fúzní je asi 100 krát, že z reaktorů štěpení, což představuje problémy materiálového provedení . Po sérii testů DT v JET byla vakuová nádoba dostatečně radioaktivní, že vyžadovala dálkové ovládání v roce následujícím po testech.

V produkčním prostředí by neutrony reagovaly s lithiem v chovatelské pokrývce složené z lithium -keramických oblázků nebo tekutého lithia, čímž by se získalo tritium. Energie neutronů končí v lithiu, které by pak bylo přeneseno na pohon elektrické výroby. Lithiová pokrývka chrání vnější části reaktoru před tokem neutronů. Novější konstrukce, zejména pokročilý tokamak, používají lithium uvnitř jádra reaktoru jako konstrukční prvek. Plazma interaguje přímo s lithiem, čímž předchází problému známému jako „recyklace“. Výhoda této konstrukce byla prokázána v experimentu Lithium Tokamak .

Deuterium

Fúzní průřez deuteria (v metrech čtverečních) při různých energiích srážky iontů.

Spojení dvou deuteriových jader je druhou nejjednodušší fúzní reakcí. Reakce má dvě větve, které se vyskytují s téměř stejnou pravděpodobností:

D + D → T + 1 hod
D + D 3 On + n

Tato reakce je také běžná ve výzkumu. Optimální energie pro zahájení této reakce je 15 keV, jen o málo vyšší než energie pro reakci DT. První větev produkuje tritium, takže DD reaktor neobsahuje tritium, přestože nevyžaduje vstup tritia nebo lithia. Pokud nejsou tritony rychle odstraněny, většina produkovaného tritia je spálena v reaktoru, což snižuje manipulaci s tritiem, s nevýhodou produkce více neutronů s vyšší energií. Neutron z druhé větve reakce DD má energii pouze 2,45 MeV (0,393 pJ), zatímco neutron z reakce DT má energii 14,1 MeV (2,26 pJ), což má za následek větší produkci izotopů a materiální škody. Když jsou tritony rychle odstraněny a současně umožňují 3 He reagovat, palivový cyklus se nazývá „fúze potlačená tritiem“. Odstraněné tritium se rozpadá na 3 He s poločasem rozpadu 12,5 roku. Recyklací rozpadu 3 He do reaktoru nevyžaduje fúzní reaktor materiály odolné vůči rychlým neutronům.

Za předpokladu úplného vyhoření tritia by snížení podílu fúzní energie nesené neutrony bylo jen asi 18%, takže primární výhodou palivového cyklu DD je, že není nutné šlechtění tritia. Dalšími výhodami jsou nezávislost na lithiových zdrojích a poněkud měkčí neutronové spektrum. Nevýhodou DD ve srovnání s DT je, že doba zadržování energie (při daném tlaku) musí být 30krát delší a vyrobený výkon (při daném tlaku a objemu) je 68krát kratší.

Za předpokladu úplného odstranění tritia a recyklace 3 He je neutrony přeneseno pouze 6% energie z fúze. Fúze DD potlačená tritiem vyžaduje uzavření energie, které je 10krát delší ve srovnání s DT a zdvojnásobuje teplotu plazmy.

Deuterium, helium-3

Přístup druhé generace k řízené fúzní energii zahrnuje kombinaci helia-3 ( 3 He) a deuteria ( 2 H):

D + 3 He 4 On + 1 hod

Tato reakce produkuje 4 He a vysokoenergetický proton. Stejně jako u palivového cyklu aneutronického fúzního paliva p- 11 B se většina reakční energie uvolňuje jako nabité částice, což snižuje aktivaci skříně reaktoru a potenciálně umožňuje účinnější získávání energie (kteroukoli z několika cest). V praxi produkují postranní reakce DD značný počet neutronů, přičemž p- 11 B zůstává preferovaným cyklem pro aneutronickou fúzi.

Proton, bór-11

Jak problémy s materiálovou vědou, tak obavy z nešíření jaderných zbraní jsou výrazně zmenšeny aneutronickou fúzí . Teoreticky je nejreaktivnějším aneutronickým palivem 3 He. Získání přiměřeného množství 3 He však znamená rozsáhlou mimozemskou těžbu na Měsíci nebo v atmosféře Uranu nebo Saturnu. Nejslibnějším kandidátským palivem pro takovou fúzi je tedy fúze snadno dostupného protia (tj. Protonu ) a boru . Jejich fúze neuvolňuje žádné neutrony, ale produkuje energeticky nabité částice alfa (hélia), jejichž energii lze přímo převést na elektrickou energii:

p + 11 B → 3  4 He

Vedlejší reakce pravděpodobně poskytnou neutrony, které nesou pouze asi 0,1% energie : 177-182, což znamená, že rozptyl neutronů se nepoužívá k přenosu energie a aktivace materiálu je několikanásobně snížena. Optimální teplota pro tuto reakci 123 keV je téměř desetkrát vyšší než pro reakce čistého vodíku a zadržování energie musí být 500krát lepší, než je požadováno pro reakci DT. Kromě toho je hustota energie je 2500 krát nižší než na DT, i když na jednotku množství paliva, to je stále podstatně vyšší než u štěpných reaktorů.

Vzhledem k tomu, že zadržovací vlastnosti fúze tokamaku a laserové pelety jsou okrajové, je většina návrhů pro aneutronickou fúzi založena na radikálně odlišných koncepcích uvěznění, jako je Polywell a Dense Plasma Focus . V roce 2013 výzkumný tým vedený Christine Labaune z École Polytechnique oznámil nový rekord v rychlosti fúze pro fúzi proton-bor, s odhadovaným počtem 80 milionů fúzních reakcí během 1,5 nanosekundového laserového ohně, 100x předchozích experimentů.

Výběr materiálu

Stabilita strukturálního materiálu je kritickým problémem. Materiály, které mohou přežít vysoké teploty a neutronové bombardování ve fúzním reaktoru, jsou považovány za klíč k úspěchu. Hlavními problémy jsou podmínky generované plazmatem, neutronová degradace povrchů stěn a související problém povrchových podmínek plazmatické stěny. Snížení propustnosti vodíku je považováno za klíčové pro recyklaci vodíku a kontrolu inventáře tritia. Materiály s nejnižší rozpustností a difuzivitou ve vodíku poskytují optimální kandidáty na stabilní bariéry. Bylo zkoumáno několik čistých kovů, včetně wolframu a berylia a sloučenin, jako jsou karbidy, husté oxidy a nitridy. Výzkum zdůraznil, že stejně důležité jsou techniky potahování pro přípravu dobře přilnutých a dokonalých bariér. Nejatraktivnější jsou techniky, ve kterých je ad-vrstva vytvořena samotnou oxidací. Alternativní metody využívají specifická plynná prostředí se silnými magnetickými a elektrickými poli. Posouzení výkonu bariéry představuje další výzvu. Nejspolehlivější metodou pro stanovení účinnosti bariéry prostupu vodíku (HPB) je nadále plynová permeace s klasickou povrchovou úpravou. V roce 2021 v reakci na zvyšující se počet návrhů reaktorů na jadernou syntézu pro rok 2040 zveřejnil Úřad pro atomovou energii Spojeného království plán Spojeného království pro fúzní materiály na období 2021–2040 se zaměřením na pět prioritních oblastí se zaměřením na rodinné reaktory tokamak:

  • Nové materiály pro minimalizaci množství aktivace ve struktuře fúzní elektrárny;
  • Sloučeniny, které lze použít v elektrárně k optimalizaci chovu tritiového paliva k udržení fúzního procesu;
  • Magnety a izolátory, které jsou odolné vůči záření z fúzních reakcí - zejména za kryogenních podmínek;
  • Strukturální materiály schopné udržet si pevnost při bombardování neutrony při vysokých provozních teplotách (nad 550 stupňů C);
  • Technická jistota pro fúzní materiály - poskytování ozářených vzorkových dat a modelovaných předpovědí, takže projektanti zařízení, provozovatelé a regulátory mají jistotu, že materiály jsou vhodné pro použití v budoucích komerčních elektrárnách.

Úvahy o zadržování

I v menších výrobních měřítcích je zadržovací zařízení otryskáno hmotou a energií. Návrhy pro zadržování plazmy musí brát v úvahu:

V závislosti na přístupu mohou být tyto účinky vyšší nebo nižší než štěpné reaktory. Jeden odhad uvedl, že záření je stokrát vyšší než u typického tlakovodního reaktoru . V závislosti na přístupu záleží na dalších faktorech, jako je elektrická vodivost , magnetická propustnost a mechanická pevnost. Materiály také nesmějí skončit jako radioaktivní odpady s dlouhou životností.

Podmínky povrchu plazmatické stěny

Při dlouhodobém používání se očekává, že každý atom ve zdi bude zasažen neutronem a přemístěn asi 100krát, než bude materiál nahrazen. Vysokoenergetické neutrony produkují vodík a hélium prostřednictvím jaderných reakcí, které mají tendenci vytvářet bubliny na hranicích zrn a vést k bobtnání, tvorbě puchýřů nebo křehkosti.

Výběr materiálů

Materiály s nízkým obsahem Z , jako je grafit nebo berylium, jsou obecně upřednostňovány před materiály s vysokým obsahem Z, obvykle wolfram s molybdenem jako druhou volbou. Tekuté kovy (lithium, gallium , cín ) byly navrženy např. Vstřikováním proudů o tloušťce 1–5 mm proudících rychlostí 10 m/s na pevné substráty.

Grafit vykazuje hrubou míru eroze v důsledku fyzikálního a chemického naprašování dosahující mnoha metrů za rok, což vyžaduje opětovné uložení naprašovaného materiálu. Místo opětovného umístění obecně přesně neodpovídá místu rozprašování, což umožňuje erozi sítě, která může být neúnosná. Ještě větším problémem je, že tritium je znovu uloženo pomocí znovu uloženého grafitu. Inventář tritia ve zdi a prachu by mohl dosáhnout až mnoha kilogramů, což představuje plýtvání zdroji a radiologické nebezpečí v případě nehody. Graphite našel přízeň jako materiál pro krátkodobé experimenty, ale zdá se nepravděpodobné, že by se stal primárním materiálem směřujícím k plazmě (PFM) v komerčním reaktoru.

Rychlost rozprašování wolframu je řádově menší než uhlík a tritium je mnohem méně začleněno do znovu vloženého wolframu. Plazmatické nečistoty z wolframu jsou však mnohem škodlivější než uhlíkové nečistoty a samo naprašování může být vysoké, což vyžaduje, aby plazma v kontaktu s wolframem nebyla příliš horká (několik desítek eV místo stovek eV). Wolfram má také problémy s vířivými proudy a tání při neobvyklých událostech, stejně jako některé rádiologické problémy.

Bezpečnost a životní prostředí

Potenciál nehody

Fúzní reaktory nepodléhají katastrofickému roztavení. K výrobě čisté energie vyžaduje přesné a kontrolované parametry teploty, tlaku a magnetického pole a jakékoli poškození nebo ztráta požadované kontroly by rychle uhasila reakci. Fúzní reaktory pracují s palivem v hodnotě několika sekund nebo dokonce mikrosekund. Bez aktivního tankování reakce okamžitě uhasí.

Stejná omezení zabraňují uprchlým reakcím. Přestože se předpokládá, že plazma bude mít objem 1 000 m 3 (35 000 krychlových stop) nebo více, obsahuje plazma obvykle jen několik gramů paliva. Pro srovnání, štěpný reaktor je obvykle nabitý dostatečným množstvím paliva na měsíce nebo roky a pro pokračování reakce není nutné žádné další palivo. Tato velká dodávka paliva nabízí možnost roztavení.

V magnetickém obalu se v cívkách, které jsou mechanicky drženy na místě strukturou reaktoru, vyvíjejí silná pole. Selhání této struktury by mohlo uvolnit toto napětí a umožnit magnetu „explodovat“ směrem ven. Závažnost této události by byla podobná jako u jiných průmyslových havárií nebo zhášení/výbuchu stroje MRI a mohla by být účinně obsažena v ochranné budově podobné těm, které se používají v štěpných reaktorech.

V laserem poháněných inerciálních kontejnerech větší velikost reakční komory snižuje napětí na materiálech. Přestože je možné selhání reakční komory, zastavení dodávky paliva zabrání katastrofickému selhání.

Většina návrhů reaktorů spoléhá na kapalný vodík jako chladivo a na přeměnu zbloudilých neutronů na tritium , které se přivádí zpět do reaktoru jako palivo. Vodík je hořlavý a je možné, že vodík uložený na místě by se mohl vznítit. V tomto případě by tritiová frakce vodíku vstoupila do atmosféry, což by představovalo radiační riziko. Výpočty naznačují, že v typické elektrárně by byl přítomen asi 1 kilogram (2,2 lb) tritia a dalších radioaktivních plynů. Částka je dostatečně malá, aby se v okamžiku, kdy dosáhnou obvodového plotu stanice, rozmělnila na právně přijatelné limity .

Pravděpodobnost drobných průmyslových havárií, včetně místního úniku radioaktivity a zranění personálu, je ve srovnání se štěpením odhadována na menší úroveň. Zahrnovaly by náhodné úniky lithia nebo tritia nebo nesprávné zacházení s komponenty radioaktivního reaktoru.

Kalení magnetu

Magnet ochlazovací je abnormální ukončení provozu magnet, který nastane, když část supravodivé cívky ukončí supravodivého stavu (stává normální). K tomu může dojít, protože pole uvnitř magnetu je příliš velké, rychlost změny pole je příliš velká (což způsobuje vířivé proudy a výsledné zahřívání v měděné nosné matici) nebo kombinace těchto dvou.

Vzácněji může závada magnetu způsobit zhášení. Když se to stane, toto konkrétní místo je vystaveno rychlému Jouleovu zahřívání z proudu, což zvyšuje teplotu okolních oblastí. To také tlačí tyto oblasti do normálního stavu, což vede k většímu zahřívání v řetězové reakci. Celý magnet se během několika sekund rychle stane normálním v závislosti na velikosti supravodivé cívky. To je doprovázeno hlasitým třeskem, protože energie v magnetickém poli se přeměňuje na teplo a kryogenní tekutina se vaří. Náhlý pokles proudu může mít za následek kilovoltové indukční napěťové špičky a jiskření. Trvalé poškození magnetu je vzácné, ale součásti mohou být poškozeny lokálním zahříváním, vysokým napětím nebo velkými mechanickými silami.

V praxi mají magnety obvykle bezpečnostní zařízení pro zastavení nebo omezení proudu, když je detekováno zhášení. Pokud dojde k prudkému zhroucení velkého magnetu, může inertní pára tvořená odpařující se kryogenní tekutinou představovat pro obsluhu značné nebezpečí udušení vytlačováním dýchatelného vzduchu.

Velká část z supravodivých magnetů v CERN je urychlovače LHC neočekávaně ukončena během spouštěcích operací v roce 2008, ničit množinu magnetů. Aby se zabránilo opakování, supravodivé magnety LHC jsou vybaveny rychloběžnými ohřívači, které se aktivují, když je detekována událost zhášení. Dipólové ohybové magnety jsou zapojeny do série. Každý napájecí obvod obsahuje 154 jednotlivých magnetů a pokud by došlo k události zhášení, musí být celá kombinovaná uložená energie těchto magnetů vyhozena najednou. Tato energie se během několika sekund přenáší do masivních kovových bloků, které se zahřívají až na několik stovek stupňů Celsia - kvůli odporovému ohřevu. Uhasení magnetu je „docela rutinní událost“ během činnosti urychlovače částic.

Eluenty

Přirozeným produktem fúzní reakce je malé množství helia , které je životu neškodné. Je obtížné zcela uchovat nebezpečné tritium. Během normálního provozu je tritium nepřetržitě uvolňováno.

Ačkoli je tritium těkavé a biologicky aktivní, zdravotní riziko, které představuje uvolňování, je mnohem nižší než u většiny radioaktivních kontaminantů, protože má krátký poločas rozpadu (12,32 let) a velmi nízkou energii rozpadu (~ 14,95 keV) a protože nedochází k bioakumulaci (cykluje z těla jako voda, biologický poločas rozpadu je 7 až 14 dní). ITER zahrnuje kompletní zadržovací zařízení pro tritium.

Radioaktivní odpad

Fúzní reaktory vytvářejí mnohem méně radioaktivního materiálu než štěpné reaktory. Kromě toho materiál, který vytváří, je biologicky méně škodlivý a radioaktivita se rozptýlí v časovém období, které je v rámci stávajících technických možností bezpečného dlouhodobého skladování odpadu. Konkrétně, s výjimkou případu aneutronické fúze , tok neutronů změní strukturální materiály na radioaktivní. Množství radioaktivního materiálu při odstavení může být srovnatelné s množstvím štěpného reaktoru, s důležitými rozdíly. Poločas rozpadu fúzních radioizotopů bývá menší než poločas rozpadu , takže jakékoli nebezpečí klesá rychleji. Zatímco štěpné reaktory produkují odpad, který zůstává radioaktivní po tisíce let, radioaktivní materiál ve fúzním reaktoru (jiném než tritium) by byl samotným jádrem reaktoru a většina z toho by byla radioaktivní asi 50 let, s dalším nízkoaktivním odpadem být dalších 100 let radioaktivní. Přestože je tento odpad za těch 50 let podstatně radioaktivnější než štěpný odpad, jeho krátký poločas eliminuje výzvu dlouhodobého skladování. Do 500 let by měl materiál stejnou radiotoxicitu jako uhelný popel . Diskuse o bezpečnosti však může zkomplikovat klasifikace jako středněaktivního odpadu spíše než nízkoaktivního odpadu.

Výběr materiálů je méně omezený než v konvenčním štěpení, kde je pro jejich specifické neutronové průřezy zapotřebí mnoho materiálů . Fúzní reaktory mohou být navrženy s použitím „nízké aktivace“, materiálů, které se snadno stanou radioaktivními. Například vanad se stává mnohem méně radioaktivním než nerezová ocel . Materiály z uhlíkových vláken mají také nízkou aktivaci, jsou silné a lehké a jsou slibné pro laserově inerciální reaktory, kde není vyžadováno magnetické pole.

Šíření jaderných zbraní

Překrývání fúze s jadernými zbraněmi je omezené. Fúzní elektrárna by mohla vyrobit obrovské množství tritia ; tritium se používá při spouštění vodíkových bomb a v moderních vylepšených štěpných zbraních , ale lze jej vyrobit i jinými způsoby. Energetické neutrony z fúzního reaktoru by mohly být použity k chovu plutonia nebo uranu pro atomovou bombu (například transmutací238
U
239 Pu , nebo232
th
se233
U
).

Studie provedená v roce 2011 hodnotila tři scénáře:

  • Fúzní stanice v malém měřítku: V důsledku mnohem vyšší spotřeby energie, odvodu tepla a rozpoznatelnější konstrukce ve srovnání s odstředivkami na obohacující plyn by tato volba byla mnohem snadněji detekovatelná, a proto nepravděpodobná.
  • Komerční zařízení: Výrobní potenciál je značný. V systému civilní fúze však vůbec nemusí být přítomny žádné úrodné ani štěpné látky nezbytné pro výrobu materiálů použitelných pro zbraně. Pokud nejsou stíněné, detekci těchto materiálů lze provést jejich charakteristickým zářením gama . Základní redesign lze zjistit pravidelným ověřováním informací o návrhu. V (technicky proveditelnějším) případě pevných chovatelských plošných modulů by bylo nutné, aby příchozí součásti byly zkontrolovány na přítomnost úrodného materiálu, jinak by bylo možné každoročně vyrábět plutonium pro několik zbraní.
  • Upřednostňování materiálu určeného pro zbraně bez ohledu na utajení: Nejrychlejší způsob výroby materiálu použitelného pro zbraně byl spatřen při úpravě elektrárny civilní fúze. Během civilního použití není vyžadován žádný materiál kompatibilní se zbraněmi. I bez potřeby skrytých akcí by takové úpravě trvalo zahájení výroby přibližně 2 měsíce a generování významného množství nejméně další týden. To bylo považováno za dost času na zjištění vojenského využití a reakci diplomatickými nebo vojenskými prostředky. K zastavení výroby by stačilo vojenské zničení částí zařízení při vynechání reaktoru.

Další studie dospěla k závěru, že „... velké fúzní reaktory - i když nejsou určeny pro chov štěpného materiálu - by mohly snadno produkovat několik set kg Pu ročně s vysokou kvalitou zbraní a velmi nízkými požadavky na zdrojový materiál“. Bylo zdůrazněno, že implementace funkcí pro odolnost vůči vnitřní proliferaci může být možná pouze v rané fázi výzkumu a vývoje. Teoretické a výpočetní nástroje potřebné pro konstrukci vodíkové bomby úzce souvisí s těmi, které jsou potřebné pro fúzi setrvačného uvěznění , ale mají jen velmi málo společného s magnetickou vazbou.

Zásoby paliva

Fúzní energie běžně navrhuje použití deuteria jako paliva a mnoho současných návrhů také používá lithium . Za předpokladu, že by výkon fúzní energie byl roven globálnímu energetickému výkonu z roku 1995 asi 100 E J/rok (= 1 × 10 20 J/rok) a aby se to v budoucnu nezvyšovalo, což je nepravděpodobné, pak by známé současné zásoby lithia vydržely 3000 let. Lithium z mořské vody by však vydrželo 60 milionů let a komplikovanější fúzní proces využívající pouze deuterium by měl palivo na 150 miliard let. Abychom to uvedli do souvislostí, 150 miliard let se blíží 30násobku zbývající životnosti Slunce a více než 10násobku odhadovaného stáří vesmíru.

Ekonomika

V 90. letech 20. století utratila EU téměř 10 miliard EUR . ITER představuje investici přes dvacet miliard dolarů a možná desítky miliard dalších, včetně věcných příspěvků . V rámci šestého rámcového programu Evropské unie obdržel výzkum jaderné fúze 750 milionů EUR (kromě financování ITER), ve srovnání s 810 miliony EUR na výzkum udržitelné energie, což dává výzkumu v oblasti jaderné syntézy dostatečný náskok před jakoukoli jedinou konkurenční technologií. United States Department of Energy má přiděleno $ US367M- $ US671M každý rok od roku 2010, vrcholit v roce 2020, s plány na snížení investic do $ US425M ve svém FY2021 rozpočtu Request. Asi čtvrtina tohoto rozpočtu je určena na podporu ITER.

Velikost investic a výsledky časových linií znamenají, že výzkum fúze byl téměř výhradně financován z veřejných zdrojů. Začínající společnosti však přilákaly více než 2,5 miliardy dolarů zhruba od roku 2000 do roku 2020, přičemž většina finančních prostředků přichází od roku 2015 s investory včetně Jeffa Bezose , Petera Thiela a Billa Gatese , jakož i s institucionálními investory včetně Legal & General a energetiky společnosti včetně Equinor , Eni , Chevron a čínské skupiny ENN . V září 2019 Bloomberg zjistil, že se zapojilo více než dvacet soukromých společností.

Scénáře vytvořené v letech 2000 a 2010 začaly diskutovat o vlivu komercializace fúzní energie na budoucnost lidské civilizace. Díky vedení jaderného štěpení viděli ITER a později DEMO online uvedení prvních komerčních reaktorů kolem roku 2050 a rychlou expanzi po polovině století. Některé scénáře zdůrazňovaly „zařízení jaderné vědy fúze“ jako krok za hranicí ITER. Ekonomické překážky fúzní síly založené na tokamaku však zůstávají obrovské, což vyžaduje investice na financování prototypových reaktorů tokamak a vývoj nových dodavatelských řetězců. Zdá se, že návrhy Tokamaku jsou náročné na práci, zatímco riziko komercializace alternativ, jako je energie setrvačné fúze, je vysoké kvůli nedostatku vládních zdrojů.

Scénáře od roku 2010 zaznamenávají pokroky v oblasti výpočetní techniky a materiálových věd , které v časovém rámci 2030–2040 umožňují vícefázové národní nebo sdílené „Fusion Pilot Plants“ (FPP) po různých technologických cestách, jako je například britský sférický tokamak pro výrobu energie . V červnu 2021 společnost General Fusion oznámila, že přijme nabídku britské vlády na umístění prvního významného demonstračního závodu fúze veřejného a soukromého sektoru na světě v Culham Center for Fusion Energy . Továrna bude postavena v letech 2022 až 2025 a má vést cestu komerčním pilotním závodům na konci roku 2025. Závod bude mít 70% plného rozsahu a očekává se, že dosáhne stabilní plazmy o 150 milionech stupňů. Ve Spojených státech se zdá pravděpodobné, že FPP sdílející náklady partnerství veřejného a soukromého sektoru. Technologie kompaktních reaktorů založená na takových předváděcích závodech může umožnit komercializaci prostřednictvím přístupu flotily od roku 2030, pokud bude možné lokalizovat rané trhy.

Rozsáhlé přijetí nejaderné obnovitelné energie změnilo energetickou krajinu. Předpokládá se, že tyto obnovitelné zdroje dodají do roku 2050 74% celosvětové energie. Stálý pokles cen energie z obnovitelných zdrojů ohrožuje hospodářskou konkurenceschopnost jaderné syntézy.

Levelized cost of energy (LCOE) pro různé zdroje energie včetně větru, sluneční a jaderné energie.

Někteří ekonomové naznačují, že fúzní energie pravděpodobně nebude odpovídat jiným nákladům na obnovitelnou energii . Očekává se, že fúzní závody budou čelit velkým počátečním a kapitálovým nákladům . Navíc provoz a údržba budou pravděpodobně nákladné. Zatímco náklady na CFETR nejsou dobře známy, koncepce fúze EU DEMO byla projektována tak, aby představovala levelizované náklady na energii (LCOE) 121 $/MWh.

Ekonomové dále naznačují, že náklady na energii z jaderné syntézy se zvyšují o 16,5 USD/ MWh za každé zvýšení ceny technologie fúze o 1 miliardu USD. Tyto vysoké levelizované náklady na energii jsou z velké části výsledkem stavebních nákladů.

Naproti tomu odhady nákladů na energii z obnovitelných zdrojů jsou podstatně nižší. Například levelizované náklady na sluneční energii v roce 2019 byly odhadovány na 40 až 46 USD/MWh, na pobřežním větru odhadovány na 29 až 56 USD/MWh a pobřežní vítr na přibližně 92 USD/MWh.

Fúzní energie však může stále hrát roli, která vyplňuje energetické mezery, které zanechávají obnovitelné zdroje. Fúzní energie tedy může fungovat v tandemu s jinými obnovitelnými zdroji energie, než aby se stala primárním zdrojem energie. V některých aplikacích by fúzní energie mohla zajišťovat základní zatížení, zejména pokud by zahrnovala integrovaný tepelný zásobník a kogeneraci a zvažovala potenciál pro dodatečnou montáž uhelných elektráren.

Nařízení

Jak se fúzní pilotní závody pohybují na dosah, je třeba řešit právní a regulační otázky. V září 2020 konzultovala Národní akademie věd Spojených států se soukromými fúzními společnostmi, aby zvážila národní pilotní závod. Následující měsíc ministerstvo energetiky Spojených států, Komise pro jadernou regulaci (NRC) a Fusion Industry Association společně uspořádaly veřejné fórum k zahájení procesu. V listopadu 2020 začala Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) spolupracovat s různými národy na vytvoření bezpečnostních standardů, jako jsou regulace dávkování a nakládání s radioaktivním odpadem. V lednu a březnu 2021 uspořádala NRC dvě veřejná setkání o regulačních rámcích. Přístup sdílení nákladů mezi veřejným a soukromým sektorem byl schválen v zákoně o konsolidovaných prostředcích HR133 ze dne 27. prosince 2021 z 27. prosince, který autorizoval 325 milionů dolarů na pět let na partnerský program na vybudování fúzních demonstračních zařízení, se 100% shodou ze soukromého průmyslu. Následně Rada britských regulačních horizontů zveřejnila zprávu požadující regulační rámec pro jadernou syntézu do začátku roku 2022 s cílem postavit Spojené království jako světového lídra v komercializaci jaderné syntézy. Tato výzva se setkala s vydáváním britskou vládou v říjnu 2021 a to jak jeho Fusion Zelená kniha a její Fusion strategie , regulovat a komercializovat fúzi, v uvedeném pořadí.

Geopolitika

Vzhledem k potenciálu fúze transformovat světový energetický průmysl a zmírňovat změnu klimatu je věda o fúzi tradičně považována za nedílnou součást diplomacie vědy o budování míru . Technologický vývoj a zapojení soukromého sektoru však vyvolaly obavy ohledně duševního vlastnictví, regulační správy, globálního vedení; spravedlnost a potenciální ozbrojování. Tyto výzvy zpochybňují úlohu ITER při budování míru a vedly k výzvám k vytvoření globální komise.

Vývoj od konce roku 2020 vedl k rozhovoru o „novém vesmírném závodě“ s více účastníky, který postavil USA proti Číně a britskému programu STEP FPP. Dne 24. září schválila Sněmovna reprezentantů USA program výzkumu a komercializace. Sekce Fusion Energy Research začlenila program milníků založený na sdílení nákladů a partnerství veřejného a soukromého sektoru po vzoru programu NASA COTS, který zahájil komerční vesmírný průmysl . V únoru 2021 vydaly Národní akademie Bringing Fusion to the US Grid , přičemž doporučily tržně řízený závod na sdílení nákladů na období 2035–2040 a následovalo zahájení Kongresu Bipartisan Fusion Caucus.

V prosinci 2020, nezávislá odborná porota hodnotilo EUROfusion ‚s design a práce R & D na DEMO, a EUROfusion potvrdil, že se přistoupit k jeho plánu pro energii z jaderné syntézy, začíná koncepční návrh DEMO ve spolupráci s Evropskou fúzního komunity, což naznačuje pravidly EU do závodu vstoupil couvalý stroj.

Výhody

Fúzní energie slíbila poskytnout více energie pro danou hmotnost paliva než jakýkoli v současnosti používaný zdroj energie spotřebovávající palivo. Palivo (primárně deuterium ) existuje hojně v oceánu: asi 1 z 6500 atomů vodíku v mořské vodě je deuterium. Ačkoli je to jen asi 0,015%, mořská voda je bohatá a snadno přístupná, což znamená, že fúze by mohla zásobovat světové energetické potřeby po miliony let.

Očekává se, že fúzní závody první generace budou využívat palivový cyklus deuterium-tritium. To bude vyžadovat použití lithia pro chov tritia. Není známo, jak dlouho budou globální zásoby lithia stačit k naplnění této potřeby, stejně jako v bateriovém a hutním průmyslu. Očekává se, že rostliny druhé generace přejdou na impozantnější reakci deuterium-deuterium. Zajímavá je také reakce deuterium-helium-3, ale izotop lehkého hélia na Zemi prakticky neexistuje. Předpokládá se, že existuje v užitečných množstvích v lunárním regolitu, a je hojný v atmosférách plynných obřích planet.

Fúzní energie by mohla být použita pro takzvaný pohon 'hlubokého vesmíru' ve sluneční soustavě a pro mezihvězdný průzkum vesmíru, kde sluneční energie není k dispozici, a to i prostřednictvím hybridních pohonů s antihmotou a fúzí .

Dějiny

Historie fúzní síly začala na počátku 20. století jako zkoumání toho, jak se hvězdy poháněly, a rozšířila se o rozsáhlé zkoumání povahy hmoty a energie, zatímco potenciální aplikace se rozšířily o válčení, raketový pohon a výrobu energie. Bohužel výroba elektřiny z fúze byla podle předpovědi na posledních 50 let v budoucnosti na 30 let a stále může být tak daleko.

Historie je spletitou směsí zkoumání jaderné fyziky a paralelním zkoumáním technických výzev od identifikace vhodných materiálů a paliv až po zdokonalení technik ohřevu a uvěznění.

Prvním člověkem vyrobeným zařízením, které dosáhlo zapálení, byla detonace tohoto fúzního zařízení s kódovým označením Ivy Mike .
Raná fotografie plazmy uvnitř štípacího stroje (Imperial College 1950/1951)

Pátrání po fúzní energii probíhalo od počátku na několika trajektoriích. Trajektorie, jako například špetkové designy, odpadly, protože čelily překážkám, které je ještě třeba překonat. Přeživší zahrnují přístupy magnetického uvěznění, jako je tokamak a stellarator, spolu s přístupy zařízení ICF, jako je laserové a elektrostatické uvěznění.

Prvním úspěšným člověkem vyrobeným fúzním zařízením byla posílená štěpná zbraň testovaná v roce 1951 v testu skleníkových předmětů . První skutečnou fúzní zbraní byl Ivy Mike z roku 1952 a prvním praktickým příkladem byl Castle Bravo z roku 1954 .

Rané projekty

Stellerator

Stellerator byl prvním kandidátem, předcházel známějšímu tokamaku. Byl průkopníkem Lyman Spitzer . Zatímco fúze neproběhla okamžitě, úsilí vedlo k vytvoření laboratoře fyziky plazmatu v Princetonu .

První experiment k dosažení řízené termonukleární fúze byl proveden pomocí Scylla I v LANL v roce 1958. Scylla I byl θ-pinch stroj, s válcem plným deuteria.

Tokamak

Koncept tokamaku vznikl v letech 1950–1951 od IE Tamm a AD Sacharov v Sovětském svazu . Tokamak v podstatě kombinoval zařízení s malým výkonem a stellarator s nízkým výkonem.

AD Sacharovova skupina sestrojila první tokamaky, čímž dosáhla první kvazistacionární fúzní reakce. : 90

Inerciální uvěznění

Laserovou fúzi navrhli v roce 1962 vědci z LLNL, krátce po vynálezu laseru v roce 1960. Inerciální fúzní fúze (pomocí laserů) výzkum začal již v roce 1965.

Shiva laser, 1977, největší laserový systém ICF postavený v sedmdesátých letech
The Tandem Mirror Experiment (TMX) v roce 1979

V LLNL bylo postaveno několik laserových systémů. Patřili mezi ně Argus , Cyclops , Janus , dlouhá cesta , laser Shiva a Nova .

Laserové pokroky zahrnovaly frekvenčně ztrojnásobující krystaly, které transformovaly infračervené laserové paprsky na ultrafialové paprsky a „cvrlikání“, které změnilo jedinou vlnovou délku na celé spektrum, které bylo možné zesílit a poté rekonstituovat na jednu frekvenci. Laserový výzkum také snědl peníze a v 80. letech minulého století spotřeboval přes jednu miliardu dolarů.

Vývoj

Časem se objevil koncept „pokročilého tokamaku“, který zahrnoval nekruhové plazma, vnitřní divertory a omezovače, supravodivé magnety a provoz na takzvaném ostrově „H-mode“ se zvýšenou stabilitou. Kompaktní tokamak s magnety uvnitř vakuové komory.

Magnetická zrcadla trpěla koncovými ztrátami, vyžadujícími vysoký výkon, složité magnetické konstrukce, jako je zde zobrazená baseballová cívka.
Cílová komora Novette (kovová koule s diagnostickými zařízeními vyčnívajícími radiálně), která byla znovu použita z projektu Shiva a dva nově postavené laserové řetězce viditelné v pozadí.
Klíčovou hybnou silou vývoje fúze byla imerze fúze inerciálního uvěznění na laseru Nova v 80. letech 20. století.

80. léta 20. století

Tore Supra , JET , T-15 , a JT-60 tokamaky byly postaveny v roce 1980. V roce 1984 navrhl Martin Peng z ORNL sférický tokamak s mnohem menším poloměrem. Ve středu byl použit jeden velký vodič s magnety jako polokroužky mimo tento vodič. Poměr stran klesl až na 1,2. : B247 : 225 Pengova obhajoba zaujala Dereka Robinsona , který postavil Tokamak Small Tight Aspect Ratio (START).

90. léta 20. století

V roce 1991 dosáhl předběžný experiment s tritiem ve Společném evropském torusu prvního kontrolovaného uvolňování fúzní energie na světě.

V roce 1996 vytvořil Tore Supra plazmu na dvě minuty s proudem téměř 1 milion ampérů, celkem 280 MJ vstřikované a extrahované energie.

V roce 1997 produkoval JET vrchol 16,1 MW fúzního výkonu (65% tepla na plazmu) s fúzním výkonem přes 10 MW, který trval déle než 0,5 s.

2000s

Mega Ampér Kulový Tokamak začala fungovat ve Velké Británii v roce 1999

„Rychlé zapálení“ šetřilo energii a přesunulo ICF do závodu o výrobu energie.

V roce 2006 byl dokončen čínský východní testovací reaktor. Byl to první tokamak, který používal supravodivé magnety ke generování toroidních i poloidálních polí.

V březnu 2009 byl uveden do provozu laserový ICF NIF .

V roce 2000 vstoupily do závodu soukromě podporované fúzní společnosti, včetně Tri Alpha Energy , General Fusion a Tokamak Energy .

2010s

Předzesilovače Národního zapalovacího zařízení. V roce 2012 dosáhl NIF výstřel 500 terawattů.
Wendelstein7X ve výstavbě
Příklad konstrukce stellarátoru: Cívkový systém (modrý) obklopuje plazmu (žlutý). Na žlutém povrchu plazmy je zeleně zvýrazněna linie magnetického pole.

Soukromý a veřejný výzkum v roce 2010 zrychlil. Společnost General Fusion vyvinula technologii plazmových injektorů a Tri Alpha Energy testovala své zařízení C-2U. Francouzská laserová Mégajoule zahájila provoz. NIF dosáhla v roce 2013 čistého energetického zisku, jak je definován ve velmi omezeném smyslu jako hot spot v jádru sbaleného cíle, nikoli celého cíle.

V roce 2014 společnost Phoenix Nuclear Labs prodala generátor neutronů s vysokým výnosem, který by dokázal udržet reakce fúze 5 × 10 11 deuteria za sekundu po dobu 24 hodin.

V roce 2015 MIT oznámil tokamak, který pojmenoval fúzní reaktor ARC , pomocí supravodivých pásků vzácných zemin barya a mědi (REBCO) k výrobě cívek s vysokým magnetickým polem, o kterých tvrdil, že by mohly produkovat srovnatelnou sílu magnetického pole v menší konfiguraci než jiné konstrukce . V říjnu dokončili vědci z Max Planck Institute of Plasma Physics stavbu dosud největšího stellarátoru , Wendelstein 7-X . Brzy produkoval helium a vodíkové plazmy trvající až 30 minut.

V roce 2017 byl do provozu uveden plazmový stroj páté generace společnosti Helion Energy . Britský Tokamak Energy ST40 generoval „první plazmu“. Příští rok oznámila Eni investici 50 milionů dolarů do Commonwealth Fusion Systems , aby se pokusila komercializovat technologii ARC společnosti MIT .

2020

V lednu 2021 společnost SuperOx oznámila komercializaci nového supravodivého vodiče se současnou schopností více než 700 A/mm2.

Společnost TAE Technologies oznámila výsledky pro své zařízení Norman, které udržuje teplotu přibližně 60 milionů ° C (108 milionů ° F) po dobu 30 milisekund, 8 respektive 10krát vyšší než předchozí zařízení společnosti.

V neděli 8. srpna 2021 Národní zapalovací zařízení zřejmě poprvé v 60leté historii programu ICF spustilo v laboratoři fúzní zapálení . Výstřel přinesl 1,3 megajoulů fúzní energie, 8násobný nárůst oproti testům provedeným na jaře 2021 a 25násobný nárůst oproti rekordním experimentům NIF 2018. Dřívější zprávy odhadovaly, že na cíl bylo uloženo 250 kilojoulů energie (zhruba 2/3 energie z paprsků), což vedlo k výstupu 1,3 Megajoule z tavící se plazmy.

Evidence

Záznamy fúze byly nastaveny řadou zařízení. Někteří následují:

Doména Rok Záznam přístroj Poznámky
Plazmová teplota 2012 1,8 miliardy kelvinů Focus-Fusion 1
Fúzní síla 1997 16 MW PROUD
ICF Fusion Power 2021 1,3 MJ Národní zapalovací zařízení
Tlak v plazmě 2016 2,05 atmosféry Alcator C-Mod
Lawsonovo kritérium 2013 1,53 × 10 21 keV.sm −3 JT-60 .
Faktor zisku energie fúze Q 1997 0,69 Společný evropský torus (JET) 16 MW výkonu ve srovnání s 23 MW plazmového ohřevu.
Doba uvěznění (konfigurace obrácená z pole) 2016 300 ms Obrácená konfigurace Princeton Field Fúze nebyla pozorována.
Doba uvěznění (stellarator) 2019 100 s Wendelstein 7-X
Doba uvěznění (tokamak) 2016 70 s VÝCHODNÍ
Doba uvěznění x teplota (tokamak) 2021 12 × 10 9 VÝCHODNÍ
Beta 0,32 Tokamak s malým poměrem stran

Viz také

Reference

Bibliografie

externí odkazy