Fusjonsenergivinstfaktor - Fusion energy gain factor

Eksplosjonen av Ivy Mike -hydrogenbomben . Hydrogenbomben er den eneste enheten som kan oppnå fusjonsenergivinstfaktor som er betydelig større enn 1.

En fusjonsenergivinningsfaktor , vanligvis uttrykt med symbolet Q , er forholdet mellom fusjonskraft produsert i en kjernefusjonsreaktor og effekten som kreves for å holde plasmaet i stabil tilstand . Tilstanden Q = 1, når kraften som frigjøres ved fusjonsreaksjonene er lik den nødvendige varmeeffekten, omtales som breakeven , eller i noen kilder, vitenskapelig breakeven .

Energien som avgis ved fusjonsreaksjonene kan fanges opp i drivstoffet, noe som fører til selvoppvarming . De fleste fusjonsreaksjoner frigjør minst en del av energien i en form som ikke kan fanges opp i plasmaet, så et system ved Q = 1 vil avkjøles uten ekstern oppvarming. Med typiske drivstoff forventes ikke selvoppvarming i fusjonsreaktorer å matche de eksterne kildene før minst Q = 5. Hvis Q øker forbi dette punktet, vil økende selvoppvarming til slutt fjerne behovet for ekstern oppvarming. På dette tidspunktet blir reaksjonen selvbærende, en tilstand som kalles tenning . Tenning tilsvarer uendelig Q , og anses generelt som svært ønskelig for praktiske reaktordesign.

Over tid har flere relaterte begreper kommet inn i fusjonsleksikonet. Energi som ikke fanges opp i drivstoffet kan fanges eksternt for å produsere elektrisitet. At elektrisitet kan brukes til å varme plasmaet til driftstemperaturer. Et system som er selvdrevet på denne måten omtales som kjører på ingeniørbreakeven . Ved drift over ingeniøravbrudd ville en maskin produsere mer strøm enn den bruker og kunne selge det overskytende. En som selger nok strøm til å dekke driftskostnadene, er noen ganger kjent som økonomisk breakeven . I tillegg er fusjonsbrensel, spesielt tritium , veldig dyrt, så mange eksperimenter kjøres på forskjellige testgasser som hydrogen eller deuterium . En reaktor som går på disse drivstoffene som når betingelsene for breakeven hvis tritium ble introdusert, sies å operere ved ekstrapolert breakeven .

Fra og med 2021 beholdes rekorden for Q av JET tokamak i Storbritannia, på Q = (16 MW)/(24 MW) ≈ 0,67, først oppnådd i 1997. Den høyeste rekorden for ekstrapolert breakeven ble lagt ut av JT- 60 enhet, med Q ext = 1,25, noe best JET tidligere 1.14. ITER ble opprinnelig designet for å nå tenning, men er for tiden designet for å nå Q = 10, og produserer 500 MW fusjonskraft fra 50 MW injisert termisk effekt.

Konsept

Q er ganske enkelt sammenligningen av kraften som frigjøres av fusjonsreaksjonene i en reaktor, P fus , med konstant varmeeffekt som tilføres, P varme , under normale driftsforhold. For de designene som ikke kjører i steady state, men i stedet pulseres, kan den samme beregningen gjøres ved å summere all fusjonsenergien som produseres i P fus og all energien som er brukt til å produsere pulsen i P -varme . Imidlertid er det flere definisjoner av breakeven som vurderer ytterligere effekttap.

Breakeven

I 1955 var John Lawson den første som utforsket energibalanse-mekanismene i detalj, først i klassifiserte verk, men publisert åpent i et nå berømt papir fra 1957. I denne artikkelen vurderte og foredlet han arbeider av tidligere forskere, særlig Hans Thirring , Peter Thonemann , og en gjennomgangsartikkel av Richard Post . Ved å utvide alle disse, laget Lawsons papir detaljerte spådommer for mengden strøm som ville gå tapt gjennom forskjellige mekanismer, og sammenlignet det med energien som trengs for å opprettholde reaksjonen. Denne balansen er i dag kjent som Lawson -kriteriet .

I en vellykket fusjonsreaktordesign genererer fusjonsreaksjonene en mengde kraft betegnet P fus . En viss mengde av denne energien, P -tap , går tapt gjennom en rekke mekanismer, hovedsakelig konveksjon av drivstoffet til veggene i reaktorkammeret og forskjellige former for stråling som ikke kan fanges opp for å generere kraft. For å holde reaksjonen i gang, må systemet sørge for oppvarming for å gjøre opp for disse tapene, der P -tap = P -varme for å opprettholde termisk likevekt.

Den mest grunnleggende definisjonen av breakeven er når Q = 1, det vil si P fus = P varme .

Noen verk omtaler denne definisjonen som vitenskapelig breakeven , for å kontrastere den med lignende termer. Imidlertid er denne bruken sjelden utenfor visse områder, spesielt fusjonsfeltet for treghet , der begrepet er mye mer brukt. Treghetsinnretninger og mange lignende konsepter prøver ikke å opprettholde likevekt, men bare fange energien som produseres. I dette tilfellet vurderer P varme all energien som trengs for å produsere reaksjonen, enten det er direkte oppvarming eller andre systemer som laser eller magnetisk komprimering.

Ekstrapolert breakeven

Siden 1950 -tallet har de fleste kommersielle fusjonsreaktordesignene vært basert på en blanding av deuterium og tritium som hoveddrivstoff; andre drivstoff har attraktive funksjoner, men er mye vanskeligere å tenne. Siden tritium er radioaktivt, svært bioaktivt og svært mobilt, representerer det et betydelig sikkerhetsproblem og øker kostnadene ved å designe og drive en slik reaktor.

For å redusere kostnadene er mange eksperimentelle maskiner designet for å kjøre på testdrivstoff av hydrogen eller deuterium alene, og utelate tritium. I dette tilfellet brukes begrepet ekstrapolert breakeven for å definere den forventede ytelsen til maskinen som kjører på DT -drivstoff basert på ytelsen når den kjører på hydrogen eller deuterium alene.

Rekordene for ekstrapolert breakeven er litt høyere enn postene for vitenskapelig breakeven. Både JET og JT-60 har nådd verdier rundt 1,25 (se nedenfor for detaljer) mens de kjører på DD-drivstoff. Når du kjører på DT, bare mulig i JET, er maksimal ytelse omtrent halvparten av den ekstrapolerte verdien.

Engineering breakeven

Et annet beslektet begrep, engineering breakeven , vurderer behovet for å hente ut energien fra reaktoren, gjøre den om til elektrisk energi og mate noe av det tilbake i varmesystemet. Denne lukkede sløyfen som sender elektrisitet fra fusjonen tilbake til varmesystemet er kjent som resirkulering . I dette tilfellet endres den grunnleggende definisjonen ved å legge til flere vilkår på P fus -siden for å vurdere effektiviteten av disse prosessene.

DT -reaksjoner frigjør mesteparten av energien som nøytroner og en mindre mengde som ladede partikler som alfapartikler . Nøytroner er elektrisk nøytrale og vil bevege seg ut av en hvilken som helst magnetisk inneslutningsfusjon (MFE) -design, og til tross for de svært høye tettheter som finnes i treghetskonfusjon (ICF) -design, har de en tendens til lett å unnslippe drivstoffmassen også i disse designene. Dette betyr at bare de ladede partiklene fra reaksjonene kan fanges opp i drivstoffmassen og forårsake selvoppvarming. Hvis brøkdelen av energien som frigjøres i de ladede partiklene er f ch , er kraften i disse partiklene P ch = f ch P fus . Hvis denne selvoppvarmingsprosessen er perfekt, det vil si at all P ch fanges opp i drivstoffet, betyr det at strømmen som er tilgjengelig for å generere elektrisitet er kraften som ikke frigjøres i den formen, eller (1-  f ch ) P fus .

Når det gjelder nøytroner som bærer mesteparten av den praktiske energien, slik tilfellet er med DT -drivstoffet, blir denne nøytronenergien normalt fanget i et " teppe " av litium som produserer mer tritium som brukes til å drive reaktoren. På grunn av ulike eksoterme og endoterme reaksjoner, kan teppet har en strømforsterkningsfaktor M R . M R er vanligvis i størrelsesorden 1,1 til 1,3, noe som betyr at den også produserer en liten mengde energi. Nettoresultatet, den totale energimengden som frigjøres til miljøet og dermed er tilgjengelig for energiproduksjon, refereres til som P R , nettoeffekten til reaktoren.

Teppet blir deretter avkjølt og kjølevæsken brukes i en varmeveksler som driver konvensjonelle dampturbiner og generatorer. Den strømmen blir deretter ført tilbake til varmesystemet. Hvert av disse trinnene i generasjonskjeden har en effektivitet å vurdere. Når det gjelder plasmaoppvarmingssystemer, er det i størrelsesorden 60 til 70%, mens moderne generatoranlegg basert på Rankinesyklusen har rundt 35 til 40%. Ved å kombinere disse får vi en netto effektivitet av effektkonverteringssløyfen som helhet på rundt 0,20 til 0,25. Det vil si at omtrent 20 til 25% av kan resirkuleres.

Således er fusjonsenergivinningsfaktoren som kreves for å nå teknisk breakeven definert som:

For å forstå hvordan det brukes, bør du vurdere en reaktor som opererer ved 20 MW og Q = 2. Q = 2 ved 20 MW betyr at P -varme er 10 MW. Av de opprinnelige 20 MW er omtrent 20% alfa, så forutsatt fullstendig fangst er 4 MW P- varme selvforsynt. Vi trenger totalt 10 MW oppvarming og får 4 av det gjennom alfa, så vi trenger ytterligere 6 MW effekt. Av de opprinnelige 20 MW effektene er det 4 MW igjen i drivstoffet, så vi har 16 MW nettoeffekt. Ved å bruke M R på 1,15 for teppet får vi P R omtrent 18,4 MW. Forutsatt en god verdi på 0,25, som krever 24 MW P R , så en reaktor ved Q = 2 ikke kan nå teknisk breakeven. Ved Q = 4 trenger man 5 MW oppvarming, hvorav 4 kommer fra fusjonen, og etterlater 1 MW ekstern effekt, som enkelt kan genereres av 18,4 MW nettoeffekt. Således for denne teoretiske utformingen er Q E mellom 2 og 4.

Med tanke på tap og effektivitet i virkeligheten, er Q-verdier mellom 5 og 8 vanligvis oppført for magnetiske innesperringsenheter, mens treghetsinnretninger har dramatisk lavere verdier for og dermed krever mye høyere Q E- verdier, i størrelsesorden 50 til 100.

Tenning

Når temperaturen på plasmaet øker, vokser fusjonsreaksjonshastigheten raskt, og med den øker frekvensen av selvoppvarming. I kontrast vokser ikke-tapbare energitap som røntgenstråler med samme hastighet. Således blir selvoppvarmingsprosessen generelt sett mer effektiv etter hvert som temperaturen øker, og det kreves mindre energi fra eksterne kilder for å holde den varm.

Til slutt når P- varmen null, det vil si at all energien som trengs for å holde plasmaet ved driftstemperaturen tilføres ved selvoppvarming, og mengden ekstern energi som må tilsettes faller til null. Dette punktet er kjent som tenning . Når det gjelder DT-drivstoff, hvor bare 20% av energien frigjøres som alfaer som gir oppvarming til seg selv, kan dette ikke skje før plasmaet slipper ut minst fem ganger kraften som trengs for å holde den ved arbeidstemperaturen.

Tenning tilsvarer per definisjon en uendelig Q , men det betyr ikke at f resirkulering faller til null ettersom den andre kraften synker i systemet, i likhet med magneter og kjølesystemer, fortsatt må drives. Vanligvis er disse imidlertid mye mindre enn energien i varmeovnene, og krever en mye mindre f resirkulering . Enda viktigere er at dette tallet er mer sannsynlig å være nesten konstant, noe som betyr at ytterligere forbedringer i plasmaytelse vil resultere i mer energi som kan brukes direkte til kommersiell produksjon, i motsetning til resirkulering.

Kommersiell breakeven

Den endelige definisjonen av breakeven er kommersiell breakeven , som oppstår når den økonomiske verdien av netto strøm igjen etter resirkulering er nok til å betale for reaktoren. Denne verdien avhenger både av reaktorens kapitalkostnad og eventuelle finansieringskostnader knyttet til det, driftskostnadene inkludert drivstoff og vedlikehold, og spotprisen på elektrisk kraft.

Kommersiell breakeven er avhengig av faktorer utenfor selve reaktorens teknologi, og det er mulig at selv en reaktor med et fullt antent plasma som fungerer langt utover engineering breakeven ikke vil generere nok strøm raskt nok til å betale for seg selv. Om noen av hovedbegrepene som ITER kan nå dette målet, diskuteres i feltet.

Praktisk eksempel

De fleste fusjonsreaktordesign som blir studert fra 2017 er basert på DT-reaksjonen, ettersom dette er det letteste å tenne, og er energitett. Imidlertid avgir denne reaksjonen også det meste av energien i form av et enkelt svært energisk nøytron, og bare 20% av energien i form av en alfa. Således, for DT -reaksjonen, f ch = 0,2. Dette betyr at selvoppvarming ikke blir lik ekstern oppvarming før minst Q = 5.

Effektivitetsverdier avhenger av designdetaljer, men kan ligge i området η varme = 0,7 (70%) og η elec = 0,4 (40%). Formålet med en fusjonsreaktor er å produsere kraft, ikke å resirkulere den, så en praktisk reaktor må ha f resirkulering = 0,2 omtrent. Lavere ville være bedre, men vil være vanskelig å oppnå. Ved å bruke disse verdiene finner vi for en praktisk reaktor Q = 22.

Med tanke på ITER har vi et design som produserer 500 MW energi for 50 MW forsyning. Hvis 20% av effekten er selvoppvarmende, betyr det 400 MW rømning. Forutsatt at samme η varme = 0,7 og η elec = 0,4, kan ITER (i teorien) produsere så mye som 112 MW oppvarming. Dette betyr at ITER ville operere ved engineering breakeven. ITER er imidlertid ikke utstyrt med kraftuttaks-systemer, så dette forblir teoretisk inntil oppfølgingsmaskiner som DEMO .

Forbigående vs. kontinuerlig

Mange enheter for tidlig fusjon opererte i mikrosekunder og brukte en slags pulserende strømkilde for å mate deres magnetiske innesperringssystem mens de brukte komprimering fra innesperringen som oppvarmingskilde. Lawson definerte breakeven i denne sammenhengen som den totale energien som frigjøres av hele reaksjonssyklusen sammenlignet med den totale energien som ble levert til maskinen i samme syklus.

Etter hvert som ytelsen økte med størrelsesordener, har reaksjonstiden forlenget seg fra mikrosekunder til sekunder, og i ITER , i størrelsesorden minutter. I dette tilfellet blir definisjonen av "hele reaksjonssyklusen" uskarp. I tilfelle av et antent plasma, for eksempel, kan P -varmen være ganske høy mens systemet blir satt opp, og deretter falle til null når det er fullt utviklet, så man kan bli fristet til å velge et øyeblikk når det er fungere best mulig å bestemme en høy eller uendelig, Q . En bedre løsning i disse tilfellene er å bruke den opprinnelige Lawson -definisjonen i gjennomsnitt over reaksjonen for å produsere en lignende verdi som den opprinnelige definisjonen.

Det er en ekstra komplikasjon. Under oppvarmingsfasen når systemet bringes opp til driftsforhold, vil noe av energien som slippes ut av fusjonsreaksjonene brukes til å varme opp drivstoffet rundt og dermed ikke slippes ut i miljøet. Dette er ikke lenger sant når plasmaet når sin driftstemperatur og går inn i termisk likevekt. Således, hvis en gjennomsnitt over hele syklusen, vil denne energien bli inkludert som en del av oppvarmingstiden, det vil si at noe av energien som ble fanget opp for oppvarming ellers ville ha blitt frigitt i P fus og derfor ikke er et tegn på en operasjonell Sp .

Operatører av JET -reaktoren argumenterte for at denne inngangen skulle fjernes fra totalen:

hvor:

Det vil si at P temp er kraften som brukes for å øke plasmaets indre energi. Det er denne definisjonen som ble brukt ved rapportering av JETs rekordverdi på 0,67.

Noen debatter om denne definisjonen fortsetter. I 1998 hevdet operatørene av JT-60 å ha nådd Q = 1,25 på DD-drivstoff, og dermed nådd ekstrapolert breakeven. Denne målingen var basert på JET -definisjonen av Q*. Ved å bruke denne definisjonen hadde JET også nådd ekstrapolert breakeven en tid tidligere. Hvis man vurderer energibalansen under disse forholdene, og analysen av tidligere maskiner, blir det hevdet at den opprinnelige definisjonen bør brukes, og dermed forblir begge maskinene godt under break-even av noe slag.

Vitenskapelig brudd på NIF

Selv om de fleste fusjonseksperimenter bruker en eller annen form for magnetisk innesperring, er en annen stor gren treghetsinneslutningsfusjon (ICF) som mekanisk presser sammen drivstoffmassen ("målet") for å øke densiteten. Dette øker hastigheten på fusjonshendelser sterkt og reduserer behovet for å begrense drivstoffet i lange perioder. Denne komprimeringen oppnås ved å varme en lett kapsel som holder drivstoffet ved hjelp av en eller annen form for "driver". Det finnes en rekke foreslåtte drivere, men til nå har de fleste eksperimenter brukt lasere .

Ved hjelp av den tradisjonelle definisjonen av Q , P fus / P varme , ICF anordninger har ekstremt lav Q . Dette er fordi laseren er ekstremt ineffektiv; mens varmeapparatene som brukes i magnetiske systemer kan være i størrelsesorden 70%, er lasere i størrelsesorden 1%.

Av denne grunn har Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), lederen innen ICF -forskning, foreslått en annen modifikasjon av Q som definerer P -varme som energien levert av sjåføren til kapselen, i motsetning til energien som legges inn i sjåføren av en ekstern strømkilde. Det vil si at de foreslår å fjerne laserens ineffektivitet fra hensynet til gevinst. Denne definisjonen gir mye høyere Q -verdier, og endrer definisjonen av breakeven til å være P fus / P laser = 1. Noen ganger omtalte de denne definisjonen som "vitenskapelig breakeven". Dette begrepet ble ikke universelt brukt; andre grupper vedtok omdefinisjonen av Q, men fortsatte å referere til P fus = P laser bare som breakeven.

Oktober 2013 kunngjorde LLNL at den hadde oppnådd vitenskapelig brudd i National Ignition Facility (NIF) 29. september. I dette eksperimentet var P fus omtrent 14 kJ, mens laserutgangen var 1,8 MJ. Etter deres tidligere definisjon ville dette være et Q på 0,0077. For denne pressemeldingen omdefinerte de Q nok en gang, denne gangen likestiller P varme til bare mengden energi levert til "den heteste delen av drivstoffet", og beregner at bare 10 kJ av den opprinnelige laserenergien nådde delen av drivstoff som var under fusjonsreaksjoner. Denne utgivelsen har blitt sterkt kritisert i feltet.

17. august 2021 kunngjorde NIF at i begynnelsen av august 2021 hadde et eksperiment oppnådd en Q -verdi på 0,7, og produserte 1,35 MJ energi fra en drivstoffkapsel ved å fokusere 1,9 MJ laserenergi på kapselen. Resultatet var en åtte ganger økning i forhold til tidligere energiproduksjon.

Merknader

Referanser

Sitater

Bibliografi