Fúze magnetického uvěznění - Magnetic confinement fusion
.png)
Fúze magnetického uvěznění je přístup ke generování energie termojaderné fúze, která využívá magnetická pole k uvěznění fúzního paliva ve formě plazmy . Magnetické uvěznění je jednou ze dvou hlavních oblastí výzkumu energie fúze spolu s inerciální fúzí . Magnetický přístup začal ve čtyřicátých letech minulého století a pohltil většinu dalšího vývoje.
Fúzní reakce kombinují lehká atomová jádra, jako je vodík, za vzniku těžších, jako je helium , a produkují energii. Aby překonali elektrostatický odpor mezi jádry, musí mít teplotu desítek milionů stupňů a vytvářet plazmu . Kromě toho musí být plazma obsažena v dostatečné hustotě po dostatečně dlouhou dobu, jak je stanoveno kritériem Lawson (trojitý produkt).
Fúze magnetického uvěznění se pokouší využít elektrickou vodivost plazmatu k jeho zadržování prostřednictvím interakce s magnetickými poli. Magnetický tlak kompenzuje tlak plazmy. Primární výzvou této technologie je vyvinout vhodné uspořádání polí, která obsahují palivo bez nadměrných turbulencí nebo netěsností.
Dějiny
Vývoj energie magnetické fúze (MFE) probíhal ve třech odlišných fázích. V padesátých letech minulého století se věřilo, že MFE bude relativně snadné dosáhnout, a tak vyrazil závod na stavbu vhodného stroje. Koncem padesátých let bylo jasné, že plazmatické turbulence a nestability jsou problematické, a během šedesátých let minulého století se „úsilí o útlum“ obrátilo k lepšímu pochopení fyziky plazmatu.
V roce 1968 vynalezl sovětský tým zařízení magnetického uvěznění tokamak , které předvádělo výkon desetkrát lépe než alternativy a stalo se preferovaným přístupem.
Ve Francii byla v roce 2007 zahájena výstavba 500-MW fúzního závodu na výrobu energie podle tohoto návrhu, ITER . Podle nejnovějšího plánu má být zahájen provoz v roce 2025.
Plazma
Když je palivo vstřikováno do fúzního reaktoru, mohou se vytvořit silné „nepoctivé“ vlny, které mohou způsobit únik z vězení. Tyto vlny mohou snížit účinnost nebo dokonce zastavit fúzní reakci. Matematické modely mohou určit pravděpodobnost nepoctivých vln a lze je použít k výpočtu přesného úhlu protivlnné vlny k jejímu zrušení.
Magnetické ostrovy jsou anomálie, kde se linie magnetického pole oddělují od zbytku pole a tvoří trubici, která umožňuje úniku paliva. Přítomnost velkých magnetických ostrovů narušuje fúzi. Vstřikování zmrazených pelet deuteria do palivové směsi může způsobit dostatek turbulencí, které narušují ostrovy.
Typy
Magnetická zrcátka
Hlavní oblastí výzkumu v raných letech výzkumu energie fúze bylo magnetické zrcadlo . Většina raných zrcadlových zařízení se pokusila omezit plazmu v blízkosti ohniska nerovinného magnetického pole generovaného v solenoidu, přičemž síla pole se zvýšila na obou koncích trubice. Aby unikly z uzavřené oblasti, musela jádra vstoupit do malé prstencové oblasti poblíž každého magnetu. Bylo známo, že jádra uniknou touto oblastí, ale neustálým přidáváním a zahříváním paliva bylo cítit, že to lze překonat.
V roce 1954 promluvil Edward Teller, ve kterém nastínil teoretický problém, který naznačoval, že plazma také rychle unikne bokem skrz zadržovací pole. K tomu by došlo v každém stroji s konvexními magnetickými poli, které existovaly ve středu zrcadlové oblasti. Stávající stroje měly jiné problémy a nebylo zřejmé, zda k tomu dochází. V roce 1961 sovětský tým přesvědčivě prokázal, že k této nestabilitě flétny skutečně dochází, a když americký tým uvedl, že tento problém nevidí, Sověti svůj experiment prozkoumali a poznamenali, že je to kvůli jednoduché chybě přístrojů.
Sovětský tým také představil potenciální řešení, v podobě „Ioffe barů“. Ty ohýbaly plazmu do nového tvaru, který byl konkávní ve všech bodech, čímž se vyhnul problému, na který Teller poukázal. Toto demonstrovalo jasné zlepšení uvěznění. Britský tým poté představil jednodušší uspořádání těchto magnetů, které nazývali „tenisový míček“, který byl v USA přijat jako „baseball“. Bylo testováno několik strojů baseballové série a vykazovaly výrazně vylepšený výkon. Teoretické výpočty však ukázaly, že maximální množství energie, které by mohly vyrobit, by bylo přibližně stejné jako energie potřebné k chodu magnetů. Jako stroj vyrábějící energii vypadalo zrcadlo jako slepá ulička.
V 70. letech bylo vyvinuto řešení. Umístěním baseballové cívky na oba konce velkého solenoidu mohla celá sestava pojmout mnohem větší objem plazmy, a tak produkovat více energie. Plány začaly stavět velké zařízení tohoto designu „tandemového zrcadla“, které se stalo Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Nikdy předtím jsme toto rozvržení nezkusili, menší stroj, Tandem Mirror Experiment (TMX) byl postaven pro testování tohoto rozložení. TMX předvedl novou sérii problémů, které naznačovaly, že MFTF nedosáhne svých výkonnostních cílů, a během stavby byl MFTF upraven na MFTF-B. Avšak kvůli rozpočtovým škrtům byl jeden den po dokončení stavby MFTF zastaven. Zrcadla od té doby zaznamenala malý vývoj.
Toroidní stroje
.jpg)
Z-špetka
První skutečná snaha postavit kontrolní fúzní reaktor využila efektu sevření v toroidním kontejneru. K indukci proudu v plazmě uvnitř byl použit velký transformátor obalující nádobu . Tento proud vytváří magnetické pole, které stlačuje plazmu do tenkého prstence, čímž jej „sevře“. Kombinace ohřevu Joule proudovým a adiabatickým ohřevem při jeho sevření zvyšuje teplotu plazmy na požadovaný rozsah v desítkách milionů stupňů Kelvina.
Všechny první stroje byly poprvé postaveny ve Velké Británii v roce 1948 a poté následovaly série stále větších a výkonnějších strojů ve Velké Británii a USA. Mezi nimi byla pozoruhodná nestabilita zalomení , která způsobila, že sevřený prsten mlátil a zasáhl stěny nádoby dlouho předtím, než dosáhl požadovaných teplot. Koncept byl však tak jednoduchý, že na řešení těchto problémů bylo vynaloženo herkulovské úsilí.
To vedlo ke konceptu „stabilizované špetky“, který přidával externí magnety, které „dodaly plazmě páteř“, zatímco se stlačovala. Největší takový stroj byl britský reaktor ZETA , dokončený v roce 1957, který podle všeho úspěšně produkoval fúzi. Jen několik měsíců po veřejném oznámení v lednu 1958 musela být tato tvrzení stažena, když bylo zjištěno, že pozorované neutrony byly vytvořeny novými nestabilitami v plazmatické hmotě. Další studie ukázaly, že jakýkoli takový design by byl sužován podobnými problémy a výzkum využívající přístup z-pinch do značné míry skončil.
Stellarátoři
Prvním pokusem vybudovat systém magnetického uvěznění byl stellarator , představený Lymanem Spitzerem v roce 1951. Stellarator se v podstatě skládá z torusu, který byl rozřezán na polovinu a poté připevněn zpět společně s přímými „crossover“ sekcemi, aby se vytvořila postava-8. . To má za následek šíření jader zevnitř ven, když obíhá kolem zařízení, čímž se ruší drift přes osu, alespoň pokud jádra obíhají dostatečně rychle.
Nedlouho po konstrukci prvních strojů číslo 8 bylo zjištěno, že stejného efektu lze dosáhnout ve zcela kruhovém uspořádání přidáním druhé sady spirálovitě vinutých magnetů na obou stranách. Toto uspořádání generovalo pole, které zasahovalo pouze částečně do plazmatu, což se ukázalo jako významná výhoda přidání „smyku“, který potlačoval turbulence v plazmatu. Protože však na tomto modelu byla postavena větší zařízení, bylo vidět, že plazma uniká ze systému mnohem rychleji, než se očekávalo, mnohem rychleji, než bylo možné vyměnit.
V polovině 60. let se zdálo, že přístup stellarator je slepá ulička. Kromě problémů se ztrátou paliva bylo také vypočítáno, že stroj na výrobu energie založený na tomto systému bude obrovský, lepší část bude dlouhá tisíc stop. Když byl tokamak v roce 1968 představen, zájem o stellarator zmizel a nejnovější design na Princetonské univerzitě , model C, byl nakonec převeden na Symmetrical Tokamak .
Stellarátoři zaznamenali obnovený zájem od přelomu tisíciletí, protože se vyhnuli několika problémům následně nalezeným v tokamaku. Byly postaveny novější modely, ale ty zůstávají asi dvě generace za nejnovějšími návrhy tokamaků.
Tokamaky
Koncem padesátých let si sovětští vědci všimli, že nestabilita zalomení by byla silně potlačena, pokud by zákruty v cestě byly dostatečně silné, aby částice cestovala po obvodu vnitřku komory rychleji než po celé délce komory. To by vyžadovalo snížení svíracího proudu a zesílení vnějších stabilizačních magnetů.
V roce 1968 byl ruský výzkum toroidního tokamaku poprvé představen na veřejnosti s výsledky, které daleko převyšovaly dosavadní úsilí jakéhokoli konkurenčního designu, ať už magnetického nebo ne. Od té doby je většina úsilí v magnetickém vězení založena na principu tokamaku. V tokamaku je proud pravidelně veden samotnou plazmou a vytváří pole „kolem“ torusu, které se spojuje s toroidním polem a vytváří vinuté pole nějakým způsobem podobným tomu v moderním stellarátoru, alespoň v tom, že se jádra pohybují z jak proudí kolem zařízení zevnitř ven.
V roce 1991 byl v Culhamu ve Velké Británii postaven START jako první účelově vytvořený sférický tokamak . Jednalo se v podstatě o sféroid s vloženou centrální tyčí. START přinesl působivé výsledky, s hodnotami β přibližně 40% - třikrát více, než produkovaly v té době standardní tokamaky. Koncept byl rozšířen na vyšší plazmatické proudy a větší velikosti, v současné době probíhají experimenty NSTX (USA), MAST (UK) a Globus-M (Rusko). Sférické tokamaky mají zlepšené vlastnosti stability ve srovnání s konvenčními tokamaky a jako takové se této oblasti dostává značné experimentální pozornosti. Nicméně sférické tokamaky byly doposud v nízkém toroidálním poli a jako takové jsou pro fúzní neutronová zařízení nepraktické.
Kompaktní toroidy
Kompaktní toroidy, např. Spheromak a Field-Reversed Configuration , se pokoušejí spojit dobré omezení konfigurací uzavřených magnetických povrchů s jednoduchostí strojů bez centrálního jádra. Prvním experimentem tohoto typu v 70. letech byl Trisops . (Trisops k sobě vystřelil dva prsteny theta-pinch.)
jiný
Některé další nové konfigurace vyráběné v toroidních strojích jsou špetka obráceného pole a experiment Levitated Dipole .
Americké námořnictvo také v patentovém spisu USA z roku 2018 prohlásilo „plazmové kompresní fúzní zařízení“ schopné dosahovat úrovní výkonu TW:
"Je rysem tohoto vynálezu poskytnout zařízení pro fúzi plazmatické komprese, které může produkovat energii v rozmezí gigawattů až terawattů (a vyšších), se vstupním výkonem v rozsahu kilowattů až megawattů."
Magnetická fúzní energie
Všechna tato zařízení čelila značným problémům při zvětšování a přístupu k kritériu Lawson . Jeden výzkumník jednoduše popsal problém magnetického uvěznění, přirovnal ho ke stlačení balónu - vzduch se vždy pokusí „vyskočit“ někam jinam. Turbulence v plazmě se ukázala být hlavním problémem, který způsobil, že plazma unikla z uzavřeného prostoru a potenciálně se dotkla stěn nádoby. Pokud k tomu dojde, do fúzního paliva se přimíchá proces známý jako „ naprašování “, částice o vysoké hmotnosti z nádoby (často ocel a jiné kovy), čímž se sníží její teplota.
V roce 1997 vyrobili vědci v zařízeních Joint European Torus (JET) ve Velké Británii 16 megawattů fúzní energie. Vědci nyní mohou vykonávat určitou míru kontroly nad turbulencí plazmy a výsledným únikem energie, dlouho považovaným za nevyhnutelný a neřešitelný rys plazmatu. Existuje zvýšený optimismus v tom, že plazmatický tlak, nad kterým může být plazma rozebrána, může být nyní dostatečně velký, aby udržel rychlost fúzní reakce přijatelnou pro elektrárnu. Elektromagnetické vlny mohou být vstřikovány a řízeny tak, aby manipulovaly s dráhami částic plazmatu a poté vytvářely velké elektrické proudy nezbytné k výrobě magnetických polí pro omezení plazmatu. Tyto a další řídicí schopnosti pocházejí z pokroků v základním chápání vědy o plazmě v takových oblastech, jako jsou turbulence plazmy, makroskopická stabilita plazmy a šíření plazmatických vln. Hodně z tohoto pokroku bylo dosaženo se zvláštním důrazem na tokamak .