Ускорение развития термоядерной энергии для создания неограниченной энергии на Земле
Могут ли установки для синтеза токамаков, наиболее широко используемые устройства для сбора на Земле реакций синтеза, которые питают Солнце и звезды, быстрее разрабатываться для производства безопасной, чистой и практически неограниченной энергии для выработки электроэнергии? Физик Джон Менард из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США подробно рассмотрел этот вопрос о концепции компактного токамака, оборудованного высокотемпературными сверхпроводящими (HTS) магнитами. Такие магниты могут создавать более высокие магнитные поля, необходимые для создания и поддержания реакций синтеза, чем это было бы возможно в компактной установке.
Менард впервые представил документ, опубликованный в « Философских трудах» Королевского общества А , на семинаре Королевского общества в Лондоне, посвященном ускорению разработки термоядерной энергии, производимой токамаком, с помощью компактных токамаков. «Это первая статья, в которой количественно документируется, как новые сверхпроводники могут взаимодействовать с высоким давлением, создаваемым компактными токамаками, чтобы влиять на то, как оптимизируются токамакы в будущем», — сказал Менард. «Мы попытались разработать несколько простых моделей, которые отражают важные аспекты интегрированного дизайна».
«Очень значимые» выводы
Результаты «очень значительны», сказал Стив Коули, директор PPPL. Коули отметил, что «аргументы Джона в этом и предыдущем документе были очень влиятельными в недавнем докладе Национальной академии наук», в котором содержится призыв к программе США по разработке компактной экспериментальной установки для синтеза, которая будет вырабатывать электроэнергию при минимально возможных затратах. «Джон действительно обрисовал в общих чертах технические аспекты гораздо меньших токамаков, использующих высокотемпературные магниты», — сказал Коули.
Компактные токамаки, которые могут включать в себя сферические объекты, такие как Национальный эксперимент по модернизации сферического тора (NSTX-U), который ремонтируется в PPPL, и сферический токамак Mega Ampere (MAST) в Великобритании, предоставляют некоторые полезные функции. Устройства, имеющие форму яблок с сердцевиной, а не обычных токамаков, похожих на пончики, могут производить плазму высокого давления, необходимую для реакций синтеза, с относительно низкими и экономически эффективными магнитными полями.
Такие реакции сливают легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — чтобы высвободить энергию. Ученые стремятся повторить этот процесс и, по сути, создать звезду на Земле, чтобы генерировать изобилие электричества для домов, ферм и промышленных предприятий по всему миру. Fusion может длиться миллионы лет с небольшим риском и без образования парниковых газов.
Продлевает предыдущий экзамен
Исследование Менарда расширяет его предыдущее исследование сферической конструкции, которая могла бы разработать материалы и компоненты для термоядерного реактора и служить в качестве пилотной установки для производства электроэнергии . В данной статье представлен подробный анализ сложных компромиссов, которые необходимо будет изучить в будущих экспериментах, когда речь заходит об интеграции компактных токамаков с магнитами HTS. «Мы понимаем, что нет единой инновации, на которую можно рассчитывать, чтобы привести к прорыву в создании более компактных или экономичных устройств», — сказал Менард. «Вам нужно взглянуть на всю интегрированную систему, чтобы узнать, получаете ли вы выгоду от более высоких магнитных полей».
В документе рассматриваются ключевые вопросы, касающиеся размера отверстия, определяемого как « соотношение сторон » в центре токамака, который удерживает и формирует плазму. В сферических токамаках это отверстие может быть вдвое меньше размера отверстия в обычных токамаках, что соответствует форме сердцевины яблока в форме компактной конструкции. В то время как физики считают, что более низкие пропорции могут улучшить стабильность плазмы и удержание плазмы, «мы не узнаем об этом до тех пор, пока не проведем эксперименты с NSXT-U и обновлениями MAST», сказал Менард.
Более низкие пропорции обеспечивают привлекательную настройку для ВТСП-магнитов, чья высокая плотность тока может создавать сильные магнитные поля, которые необходимы для синтеза в относительно узком пространстве компактного токамака. Однако сверхпроводящие магниты нуждаются в толстом экранировании для защиты от повреждения и нагревания нейтронной бомбардировкой, оставляя ограниченное пространство для трансформатора, чтобы индуцировать ток в плазме, чтобы завершить скручивающее поле, когда размер устройства уменьшается. Таким образом, для конструкций с более низким соотношением сторон ученые должны будут разработать новые методы для получения части или всего начального тока плазмы.
От 200 до 300 мегаватт электроэнергии
Для обеспечения устойчивости плазмы для выработки электроэнергии от 200 до 300 мегаватт, которую исследует газета, также потребуется более высокое ограничение, чем обычно достигают стандартные режимы работы токамака . Такое производство энергии может привести к созданию сложных потоков термоядерных нейтронов, которые ограничат предполагаемый срок службы магнитов ВТСП до одного-двух лет работы на полной мощности. Более толстое экранирование может существенно увеличить этот срок службы, но также снизит мощность термоядерного синтеза.
Фактически потребуется крупная разработка магнитов ВТСП, которые еще не созданы в масштабе. «Вероятно, потребуются годы, чтобы составить модель основных элементов требований к размеру магнита и связанных с ними факторов в зависимости от соотношения сторон», — сказал Менард.
Суть в том, сказал он, что низкое соотношение сторон «действительно стоит исследовать на основе этих результатов». Он отметил, что потенциальные выгоды от более низких соотношений включают в себя получение плотности мощности плавления — критического выхода мощности плавления на единицу объема плазмы — что превышает выход для обычных форматных соотношений. «Fusion должен стать более привлекательным, — сказал Менард, — поэтому важно оценить преимущества более низких соотношений сторон и их компромисс».
