Magnetisert målfusjon - Magnetized target fusion

Magnetized Target Fusion ( MTF ) er et fusjonskraftkonsept som kombinerer funksjoner av magnetisk inneslutningsfusjon (MCF) og inertial confinement fusion (ICF). I likhet med den magnetiske tilnærmingen er fusjonsbrennstoffet begrenset til lavere tetthet av magnetfelt mens det blir oppvarmet til et plasma . Som med inerti-tilnærmingen initieres fusjon ved raskt å klemme målet for å øke drivstofftettheten og temperaturen sterkt. Selv om den resulterende tettheten er langt lavere enn i ICF, antas det at kombinasjonen av lengre inneslutningstid og bedre varmetetthet vil la MTF fungere, men likevel være lettere å bygge. Begrepet magneto-inertial fusion (MIF) er lik, men omfatter et bredere utvalg av arrangementer. De to begrepene brukes ofte om hverandre på eksperimenter.

Fusjonskonsepter

Hovedartikkel: Fusion power

I fusjon smelter lettere atomer sammen for å lage tyngre atomer. Det enkleste drivstoffet å gjøre dette med er isotoper av hydrogen . Generelt finner disse reaksjonene sted inne i et plasma. Et plasma er en oppvarmet gass, der alle elektronene er blitt fjernet; gassen er fullstendig ionisert . Ionene er positivt ladede, så de avviser hverandre på grunn av den elektrostatiske kraften . Fusjon oppstår når to ioner kolliderer med høy energi, slik at den sterke kraften kan overvinne den elektrostatiske kraften på kort avstand. Mengden energi som må tilføres for å tvinge kjernene sammen heter Coulomb-barrieren eller fusjonsbarrierenergien . For at fusjon skal forekomme i bulkplasma, må den varmes opp til titalls millioner grader og komprimeres ved høyt trykk, i tilstrekkelig tid. Sammen kalles dette det tredoble produktet (se Lawson-kriterium ). Fusjonsforskning fokuserer på å nå et høyest mulig tredobbelt produkt.

Magnetisk fusjon virker for å varme opp et fortynnet plasma (10 14 ioner per cm 3 ) til høye temperaturer, rundt20 keV (~ 200 millioner C). Omgivelsesluften er omtrent 100.000 ganger tettere. For å lage en praktisk reaktor ved disse temperaturene, må drivstoffet være begrenset i lange perioder, i størrelsesorden 1 sekund. Den ITER tokamak utforming er under oppføring for å teste den magnetiske tilnærming med pulslengder på opptil 20 minutter.

Inertial fusion forsøker å produsere mye høyere tettheter, 10 25  ioner per kubikk cm , omtrent 100 ganger tettheten av bly . Dette fører til at reaksjonene oppstår ekstremt raskt (~ 1 nanosekund). Inneslutning er ikke nødvendig; selv om varmen og partiklene som dannes av reaksjonene, får plasmaet til å eksplodere utover, er hastigheten dette skjer langsommere enn fusjonsreaksjonene.

Fra og med 2018 nærmer begge disse metodene for kjernefusjon nettoenerginivå (Q> 1) nivåer etter mange tiår med forskning, men er fortsatt langt fra praktiske energiproduserende enheter.

Nærme seg

Mens MCF og ICF angriper Lawson-kriterieproblemet fra forskjellige retninger, prøver MTF å jobbe mellom de to. MTF sikter mot en plasmadensitet på10 19  cm −3 , mellom MCF (10 14  cm −3 ) og ICF (10 25  cm −3 ) Ved denne tettheten må inneslutningstiden være i størrelsesorden 1 µs, igjen mellom de to andre. MTF bruker magnetiske felt for å redusere plasmatap, og treghetskompresjon brukes til å varme plasma.

Generelt sett er MTF en treghetsmetode. Tettheten økes gjennom en pulserende operasjon som komprimerer drivstoffet, varmer plasmaet, akkurat som kompresjon varmer en vanlig gass. I tradisjonell ICF tilsettes mer energi gjennom laserne som komprimerer målet, men at energi lekker gjennom flere kanaler. MTF benytter et magnetfelt som opprettes før kompresjon som begrenser og isolerer drivstoff slik at mindre energi går tapt. Resultatet, sammenlignet med ICF, er en noe tett, noe varm drivstoffmasse som gjennomgår fusjon med middels reaksjonshastighet, så den må bare begrenses i middels lang tid.

Når drivstoffpelleten komprimeres, vokser varmen og trykket i plasmaet. Sambruddshastigheten er generelt lineær, men trykket er basert på volumet, som øker med kompresjonskuben. Som et eller annet tidspunkt er trykket nok til å stoppe og deretter reversere kollapsen. Massen av metallforingen rundt drivstoffet betyr at denne prosessen tar litt tid å skje. MTF-konseptet er basert på at denne oppholdstiden skal være lang nok til at fusjonsprosessene kan finne sted.

MTF har fordeler over både ICF og plasmafusjon med lav tetthet. Energiinngangen er relativt effektiv og billig, mens ICF krever spesialiserte høyytelseslasere som for tiden tilbyr lav effektivitet. Kostnadene og kompleksiteten til disse lasere, kalt "drivere", er så stor at tradisjonelle ICF-metoder forblir upraktiske for kommersiell energiproduksjon. På samme måte, selv om MTF trenger magnetisk inneslutning for å stabilisere og isolere drivstoffet mens det komprimeres, er den nødvendige inneslutningstiden tusenvis av ganger mindre enn for MCF. Inneslutningstider for bestillingen som trengs for MTF ble demonstrert i MCF-eksperimenter for mange år siden.

Tettheter, temperaturer og inneslutningstider som trengs av MTF er godt innenfor gjeldende teknikk og har blitt demonstrert gjentatte ganger. Los Alamos National Laboratory har referert til konseptet som en "low cost path to fusion".

Enheter

FRX-L

I det banebrytende eksperimentet, Los Alamos National Laboratory 's FRX-L, dannes et plasma først ved lav tetthet ved transformator-kobling av en elektrisk strøm gjennom en gass inne i et kvartsrør (vanligvis en ikke-drivstoffgass for testformål). Dette varmer plasmaet til omtrent200 eV (~ 2,3 millioner grader). Eksterne magneter begrenser drivstoff i røret. Plasmer er elektrisk ledende, slik at en strøm kan passere gjennom dem. Denne strømmen genererer et magnetfelt som samhandler med strømmen. Plasmaet er ordnet slik at felt og strøm stabiliserer seg i plasmaet når det er satt opp, og begrenser selv plasmaet. FRX-L bruker feltomvendt konfigurasjon for dette formålet. Siden temperaturen og inneslutningstiden er 100 ganger lavere enn i MCF, er inneslutningen relativt enkel å ordne og trenger ikke de komplekse og dyre superledende magneter som brukes i de fleste moderne MCF-eksperimenter.

FRX-L brukes utelukkende til dannelse, testing og diagnostikk av plasma. Den bruker fire høyspenninger (opp til100 kV ) kondensatorbanker som lagrer opptil 1 MJ energi for å drive en1,5 MA strøm i en-omgang magnetfeltspoler som omgir a10 cm diameter kvartsrør. I sin nåværende form som en plasmagenerator har FRX-L vist tettheter mellom(2 og 4) × 10 16  cm −3 , temperaturer på100 til 250 eV , magnetfelt på2,5 T og levetid på10 til 15 μs . Alle disse ligger innenfor en størrelsesorden av det som trengs for en energipositiv maskin.

FRX-L ble senere oppgradert for å legge til et "injektor" -system. Dette ligger rundt kvartsrøret og består av et konisk arrangement av magnetiske spoler. Når de drives, genererer spolene et felt som er sterkt i den ene enden av røret og svakere i den andre, og skyver plasmaet ut av den større enden. For å fullføre systemet, var injektoren planlagt å bli plassert over fokuset til den eksisterende Shiva Star "can crusher" ved Air Force Research Laboratory 's Directed Energy Lab på Kirtland Air Force Base i Albuquerque, NM .

FRCHX

I 2007 ble et eksperiment kalt FRCHX plassert på Shiva Star. I likhet med FRX-L bruker den et generasjonsområde og injiserer plasmabunken i Shiva Star-kompresjonsområdet. Shiva Star leverer ca 1,5 MJ inn i den kinetiske energien til den 1 mm tykke aluminiumsforingen, som kollapser sylindrisk omtrent5 km / s . Dette kollapser plasmabunken til en tetthet rundt5 × 10 18  cm −3 og hever temperaturen til ca.5 keV , produserer nøytronutbytter i størrelsesorden10 12 nøytroner "per skudd" ved bruk av DD-drivstoff. Kraften som frigjøres i de større skuddene, i området MJ, trenger en periode med tilbakestilling av utstyret på en ukes rekkefølge. Den enorme elektromagnetiske pulsen (EMP) forårsaket av utstyret danner et utfordrende miljø for diagnostikk.

Fusjonsdemonstrasjonsanlegg

General Fusion of Canada, i samarbeid med Storbritannias Atomic Energy Authority , skal bygge et demonstrasjonsanlegg i Culham , England, som en forløper for et kommersielt levedyktig pilotanlegg. Den reaksjonsbeholder blir en hurtig-roterende sylinder av flytende metall ( bly , som omfatter litium for å høste tritium dannet gjennom nøytronaktivering ) som er formet til en sfære ved innvirkning av synkroniserte stempler drevet av damp. Magnetisert fusjonsbrensel når plasma injiseres i sfæren når det trekker seg sammen, og produserer tilstrekkelig temperatur og trykk for at fusjonsreaksjonen skal finne sted. Det flytende metallet sirkuleres gjennom varmevekslere for å gi damp.

Bygget forventes å starte i 2022, og driften starter i 2025.

Utfordringer

MTF er ikke den første "nye tilnærmingen" til fusjonskraft. Da ICF ble introdusert på 1960-tallet, var det en radikal ny tilnærming som man forventet å produsere praktiske fusjonsutstyr på 1980-tallet. Andre tilnærminger har møtt uventede problemer som i stor grad økte vanskeligheten med å produsere utgangseffekt. Med MCF var det uventede ustabiliteter i plasma da tetthet eller temperatur ble økt. Med ICF var det uventede tap av energi og vanskeligheter med å "glatte" bjelkene. Disse har blitt adressert delvis i store moderne maskiner, men bare til store utgifter.

I generell forstand ser MTFs utfordringer ut til å ligne på ICFs. For å produsere kraft effektivt, må tettheten økes til et arbeidsnivå og deretter holdes der lenge nok til at det meste av drivstoffmassen kan gjennomgå fusjon. Dette skjer mens metallforingen kjøres innover. Blanding av metallet med fusjonsbrenselet ville "slukke" reaksjonen (et problem som oppstår i MCF-systemer når plasma berører karveggen). På samme måte må kollapsen være ganske symmetrisk for å unngå "hot spots" som kan destabilisere plasmaet mens det brenner.

Problemer i kommersiell utvikling er lik de for noen av de eksisterende fusjonsreaktordesignene. Behovet for å danne høyfaste magnetfelt i maskinens fokus er i strid med behovet for å trekke ut varmen fra det indre, noe som gjør den fysiske tilretteleggingen av reaktoren til en utfordring. Videre fusjonsprosessen avgir et stort antall nøytroner (i vanlige reaksjoner minst) som fører til nøytron sprøhet som nedsetter styrken av bærestrukturene og ledningsevne av metall ledninger. I typiske MCF-ordninger er nøytroner ment å bli fanget i et litiumskall for å generere mer tritium å mates inn som drivstoff, noe som ytterligere kompliserer den generelle ordningen. Deuterium-deuterium-fusjon ville selvfølgelig unngå dette kravet.

Kopek-problem

En annen bekymring for MTF-konseptet heter kopek-problemet . Den kopek er den russiske valutaenhet lik krone eller øre , med 100 kopeks til rubelen . Med en valutakurs på 75 rubler til amerikanske dollar er en kopek lite verdt. Navnet er ment å henvise til en liten verdi av penger.

Problemet er at metallforene som brukes i MTF ved utgangspunktet, forbrukes under reaksjonen. Til gjengjeld ville enheten generere strøm. Imidlertid er verdien av den strømmen veldig lav, i størrelsesorden noen få øre. Derfor, for å generere netto positiv kontantstrøm, må enheten generere enorme mengder energi per skudd, urealistisk høye mengder, eller kostnadene for drivstoffsenhetene må være små, omtrent en kopek.

To potensielle løsninger på kopek-problemet er identifisert; bruken av "hotspot ignition" (også utforsket i tradisjonell ICF) ser ut til å tillate en stor økning i frigjøring av energi sammenlignet med energiinngang, og løser dermed problemet fra gevinstsiden. Den andre er å prøve å resirkulere noen av komponentene, eller i tilfelle væskeveggsystemer, ikke miste noe materiale i utgangspunktet.

Se også

Referanser

Videre lesning

  • RE Siemon, IR Lindemuth og KF Schoenberg, Why MTF is a low cost path to fusion, Comments Plasma Physics Controlled Fusion vol 18 issue 6, s. 363–386 (1999).
  • PV Subhash et al. 2008 Phys. Scr. 77 035501 (12pp) doi : 10.1088 / 0031-8949 / 77/03/035501 Effekt av ikke-ensartethet på liner på plasmainstabilitet i et invers Z-pinch magnetisert målfusjonssystem: liner-on-plasma simuleringer og sammenligning med lineær stabilitetsanalyse