Linus (fusjonseksperiment) - Linus (fusion experiment)

En tekniker ser gjennom sentrum av NRL Linus-0-reaktoren

Den Linus programmet var et eksperimentelt fusjonskraft prosjekt utviklet av United States Naval Research Laboratory (NRL) som starter i 1971. Målet for prosjektet var å fremstille en kontrollert fusjonsreaksjon ved å komprimere plasma inne i en metallforing. Det grunnleggende konseptet er i dag kjent som magnetisert målfusjon .

Reaktorutformingen var basert på mekanisk komprimering av en smeltet metallforing. Et kammer ville bli fylt med smeltet metall og rotert langs en akse, og danne et sylindrisk hulrom i midten. Et egnet fusjonsbrensel, oppvarmet til relativt lave temperaturer for å danne det til et plasma, injiseres i midten av hulrommet. Metallet kollapser deretter raskt, og på grunn av bevaring av magnetisk fluks inne i metallet, er plasmaet begrenset i det resulterende kollapsende skallet og kollapser selv. Den adiabatiske prosessen ville øke temperaturen og tettheten til det fangede plasmaet til fusjonsforhold .

Bruken av en flytende metallforing har mange fordeler i forhold til tidligere sovjetiske eksperimenter som imploderte sylindriske metallforinger for å oppnå fusjon med høy energi-tetthet. Den flytende metallforingen ga fordelene med å gjenvinne varmeenergien til reaksjonen, absorbere nøytroner, overføre kinetisk energi og erstatte den plasmavendte veggen under hver syklus. Ytterligere fordeler med en flytende foring inkluderer sterkt forenklet service av reaktoren, redusert radioaktivitet, beskyttelse av de permanente delene av reaktoren mot nøytronskader og redusert fare for flygende rusk.

Konseptet ble gjenopplivet på 2000 -tallet som grunnlag for General Fusion -designet, som for tiden bygges i Canada .

Konseptuell design

I Linus konsept, reaktorkammeret består av en trommel fylt med et flytende metallforing, typisk smeltet bly- litium . Trommelen er spunnet og skaper sentrifugalkraft som får væsken til å tvinges på innsiden av beholderen. Det er bare nok flytende metall til å fylle kanskje 20% av det totale volumet, så et stort åpent område i midten dannes under rotasjon. For drift brukes et system, vanligvis bestående av stempler, for å drive ytterligere flytende metall inn i trommelen. Dette får hele foringen til å bli tvunget innover. I eksperimentelle systemer ga dette omtrent ti-til-en-komprimering. Det ekstra metallet fjernes deretter igjen ved å slippe stemplene, noe som får komprimeringen til å reversere og metallet når den opprinnelige posisjonen på utsiden av trommelen.

For å opprette fusjon, en fusjons brennstoff plasmaet injiseres inn i hulrommet før stempelslaget. Fordi metallet er magnetisk, presses plasmaet i midten også innover. Denne komprimeringen får plasmatemperaturen til å øke gjennom den adiabatiske prosessen , og øker den til fusjonsrelevante temperaturer og trykk, rundt 100 millioner K og10 17  ioner per cm 3 . Ved disse temperaturene og trykkene er fusjonshastigheten ifølge fusjonstripelproduktet veldig rask og fullføres før den mekaniske kompresjonen reverserer. Den energi som frigjøres ved disse reaksjonene, i tilfellet med typiske deuterium - tritium (DT) brensel, er for det meste i form av høyenergetiske nøytroner omtrent 14,1 MeV. Disse fanges opp i flytende metall og øker temperaturen. Noen av nøytronene vil samhandle med litium i foringen og gjennomgå en atomreaksjon som produserer nytt tritium. Energien ekstraheres deretter ved hjelp av en dampgenerator som tilfellet er i et hvilket som helst varmedrevet kraftverk, mens tritium utvinnes gjennom en rekke kjemiske prosesser.

En viktig fordel med Linus -konseptet er at kompresjonssyklusen er reversibel, i motsetning til andre konsepter som bruker tynne, massive metallskall som bare kan brukes én gang. Dette gjør at systemet kan kjøre kontinuerlig, generelt begrenset av muligheten til å fjerne resultatene av den siste reaksjonen og generere og injisere nytt drivstoffplasma, på en skala fra noen få sekunder. I tillegg er systemer som bruker ikke-roterende skall utsatt for ustabilitet fra Rayleigh-Taylor og har vist seg ekstremt vanskelige å stabilisere. Rotasjonen av væsken i Linus undertrykker disse ustabilitetene. Til slutt beskytter metallet resten av reaktoren mot nøytronstrømmen, noe som er et stort problem i andre design.

Historie

Linus -innsatsen sporer til slutt sin historie til en diskusjon mellom Ramy Shanny fra NRL og EP Velikhov fra Kurchatov Institute .

Den grunnleggende ideen om superhøye magnetfelt som en vei til fusjon hadde blitt vurdert allerede på 1950-tallet av Andrei Sakharov , som foreslo å implodere metallforinger for å produsere det nødvendige feltet. Konseptet ble ikke plukket opp før på 1960-tallet, da Velikhov begynte med småskala eksperimenter. Det ble innsett at kostnaden for metallforinger sannsynligvis ville være høyere enn verdien av elektrisiteten de ville produsere, "kopek -problemet", og de vurderte ideen om å bruke en flytende metallforing i stedet.

Shanny spurte om hvordan et slikt system ville bli stabilisert mot Rayleigh-Taylor-problemer. Velikhov misforstod spørsmålet og trodde han spurte hvordan det ville bli stabilisert mot tyngdekraften i trommelen. Han svarte at de ville snurre det. Da Shanny vurderte dette svaret, fant han ut at det faktisk stabiliserte seg mot Rayleigh-Taylor, og Linus-programmet ble født.

Suzy jeg

For å få erfaring med konseptet, bygde NRL opprinnelig linerimplodere. Den første eksperimentelle enheten var Suzy, konstruert i 1971 under ledelse av DC dePackh. Systemet brukte foringer av massivt metall, som de sovjetiske eksperimentene og mange senere enheter. Foringen ble kjørt innover gjennom theta -klypeprosessen , ved hjelp av en50 kJ kondensatorbank.

Suzy II

AE Robson og PJ Turchi ble med i programmet i 1972, og dePackh forlot NRL. Robson og Turchi fortsatte utviklingen av konseptet med Suzy II, et lignende system som det som da ble Suzy I, men mye større og utstyrt med en kraftigere540 kJ kondensatorbank strømforsyning. Suzy II komprimerte foringer fra en innledende diameter på20–30 cm til en sluttdiameter på ca.1 cm , noe som gir et samlet kompresjonsforhold på 28: 1. Trykk større enn20 kpsi ble oppnådd under implosjonene.

Med suksessen med de grunnleggende Suzy II -eksperimentene, ble oppmerksomheten vendt til den flytende foringen. Dette ble bygget på Suzy II ved bruk av en plastforing inne i en ståltrommel, fylt med natrium-kaliumlegering (NaK) ved den eutektiske blandingen (22% Na, 78% K), som er en væske ved romtemperatur. Ved å skyte implosjonsbanken med forskjellige krefter kan forholdet mellom implosjonshastighet og rotasjonshastighet testes, og demonstrerte det forventede resultatet at så lenge rotasjonshastigheten er høy nok, som foringen komprimeres og rotasjonshastigheten øker på grunn av bevaring av vinkel momentum , holdt sentripetalkraften den tilsynelatende tyngdekraftvektoren pekt utover. Dette stabiliserer seg mot RT -ustabilitet fordi det er lettere væske i midten som faller utover, en naturlig stabil tilstand.

Suzy II lyktes med å produsere en stabil innadkomprimering av foringen, men dessverre var ikke det motsatte sant. Da foringen begynte å ekspandere igjen da kompresjonsstrømmen ble slått av, hadde du igjen en tung væske som beveget seg inn i en lettere, og RT ustabiliteten dukket opp igjen. Dette fikk foringen til å bryte opp i dråper, som på grunn av deres høye masse og hastighet påvirket beholderen tilfeldig med hele den legemlige energien. I en produksjonsmaskin ville dette være i størrelsesorden 100 MJ, tilsvarende omtrent 23 kg TNT .

Eksperimenter med stempelimplosjon

Løsningen på foringsbrudd under ekspansjon er å fylle tomrommet med ytterligere foringsmateriale. Dette utelukker bruk av elektromagnetiske drivere som i Suzy, og oppmerksomheten er rettet mot bruk av et mekanisk stempeldrivende materiale fra et reservoar inn i hovedkammeret. Stempelet ble drevet av komprimert gass.

Flere eksperimentelle maskiner fulgte. Den første, "vannmodellen", besto av en trommel med vann med stempler plassert radialt rundt den. Hele systemet, inkludert stemplene, snurret. Dette bekreftet den grunnleggende tilnærmingen, men var problematisk ettersom stemptimingen viste seg å være vanskelig å kontrollere den nødvendige nøyaktigheten. Dette problemet ble løst av et nytt stempellayout med stemplene arrangert ringformet som kunne skytes av en enkelt kilde. Dette viste seg å løse problemene, og planene begynte å bygge større enheter.

Linus-0

Med suksessen til stempelmodellene begynte planene å bygge en større maskin som ligner på størrelsen og energien som Suzy II -maskinen. Dette førte til Linus-0-designet, som besto av en stålrotor med en diameter på 48 tommer (1,200 mm) omgitt av en gassflaske som ble satt under trykk til 34 000 kPa ved bruk av en serie små eksplosive DATB ( C 6 H 5 N 5 O 6) ladninger, også kjent som den polymerbundne eksplosive PBXN, valgt for sitt høye smeltepunkt, lave partikler og kompatible lave kostnader. Ladningene ble lastet inn i en serie porter i den ene enden av enheten og avfyrt like før eksperimentell kjøring for å sette systemet under trykk. Den indre rotoren ble spunnet til 2100 o / min ved bruk av en 454 kubikk tommers Chevrolet V8 -motor .

Linus-0 viste seg å være treg å bygge på grunn av den eneste maskinbutikken som var stor nok til at rotoren var opptatt med andre oppgaver, og enheten ble ikke fullført før i 1978, kort tid før programmet stengte. Likevel ble systemet brukt med vann og viste seg å være i stand til å ta repeterbare bilder på den korte tiden det var i drift. Under datainnsamlingen ble Linus-0 sparket så ofte som tre ganger daglig.

Helius

Forsinkelsene i byggingen av Linus-0 førte til konstruksjonen av en halvskala versjon, Helius. Den ble designet for å bruke flytende natrium og kalium i foringskammeret. I praksis var bruk av vann tilstrekkelig for de hydrodynamiske studiene. I eksperimentet ble de flytende natrium-kaliumforingene implodert ved bruk av høytrykks Helium (120 atm ) for å drive mekaniske stempler.

Prosjekt skjebne

De første forslagene til Linus -designene var basert på en sylindrisk kollaps av foringen, et kontinuerlig plasma inni. Dette arrangementet betydde at det ikke var noe som skulle begrense plasmaet fra å bli sprøytet ut i enden av den imploderende sylinderen av metall. Dette var ikke nødvendigvis et problem; både foringen og plasmaet ville bevege seg med lydens hastighet , men fordi lydhastigheten i metallet er mye høyere enn i plasmaet, ville det meste av plasmaet ikke ha tid til å bevege seg før det allerede hadde fullført reaksjonen. Det var en viss bekymring for dårlig krumning i endene av sylinderen, noe som kan føre til utveksling ustabilitet som fungerer mye raskere enn lydens hastighet, men størrelsen, eller til og med hvis den var til stede i det hele tatt, ble ikke utforsket.

Ulempen med denne tilnærmingen var at noe plasma slapp unna, og den mengden økte ettersom implosjonens hastighet gikk ned. For å få en rimelig reaksjonshastighet, kreves driverenergier i størrelsesorden 75 til 100 MJ. Selv om dette ikke var umulig å oppnå, representerte det fortsatt en betydelig kapitalkostnad å bygge et slikt lagringssystem, og den resulterende høyenergien og høyhastighetsimplosjonen representerte en ingeniørutfordring.

Linus ble utviklet mens et annet fusjonskonsept først dukket opp, den feltvendte konfigurasjonen eller FRC. Dette er i hovedsak en røykring av plasma som er naturlig stabil for en tid. Å bruke en FRC inne i maskinen vil gi naturlig innesperring i endene av sylinderen, noe som forhindrer at plasma rømmer. Dette vil redusere nødvendig implosjonsenergi betydelig, og dermed redusere størrelsen og kostnaden for maskinen som helhet.

På den tiden var FRC -er en helt ny teknologi. Men ettersom de så ut til å representere et betydelig fremskritt i teknikkens stade, og potensielt kunne gjøre et vellykket fusjonssystem selv uten implosjon, endret NRLs interesse seg raskt til den underliggende fysikken til FRC. Eksperimenter med Linus-0 og Helius var relativt korte, delvis på grunn av forsinkelser i design-, fabrikasjons- og monteringsfasen. Det ble ikke avsatt tid til å komme seg etter forsinkelser eller uventede utfordringer, og maskinene ble til slutt demontert og lagret.

Linus -prosjektet støtte på flere tekniske problemer som begrenset ytelsen og dermed attraktiviteten som en tilnærming til kommersiell fusjonskraft. Disse problemene inkluderte ytelsen til plasmapreparatet og injeksjonsmetoden, evnen til å oppnå reversible kompresjons -ekspansjonssykluser, problemer med magnetisk fluksdiffusjon i foringsmaterialet og muligheten til å fjerne det fordampede foringsmaterialet fra hulrommet mellom sykluser (innen en varighet av omtrent1 s ) som ikke ble oppnådd. Det oppstod også mangler med utformingen av den indre mekanismen som pumpet flytende metallforingen.

Et annet stort problem som oppstod involverte hydrodynamiske ustabilitet i væskeforingen. Hvis væsken ble komprimert unøyaktig, kan plasmagrensene gjennomgå Rayleigh -Taylor ustabilitet (RT). Denne tilstanden kan slukke fusjonsreaksjonen ved å redusere kompresjonseffektiviteten og ved å injisere foringsmateriale (fordampet bly og litium) forurensninger i plasmaet. Begge effektene reduserer effektiviteten av fusjonsreaksjoner. Sterk ustabilitet kan til og med forårsake skade på en reaktor. Synkronisering av tidspunktet for komprimeringssystemet var ikke mulig med datidens teknologi, og den foreslåtte designen ble kansellert.

Se også

Merknader

Referanser

Bibliografi