Fuzja ciężkich jonów

Fuzja ciężkich jonów to koncepcja energii termojądrowej , która wykorzystuje strumień wysokoenergetycznych jonów z akceleratora cząstek do szybkiego podgrzania i sprężenia małej pastylki paliwa termojądrowego. Jest to podklasa większego do fuzji bezwładnościowej (ICF), zastępując bardziej typowe systemy laserowe akceleratorem.

Akceleratory mogą być znacznie bardziej wydajne pod względem dostarczania energii do pelletu paliwowego; typowe „sterowniki” oparte na laserze mają ogólną wydajność rzędu 1%, podczas gdy systemy ciężkich jonów dążą do 30% lub więcej. Dodatkowo mogą wytwarzać impulsy energii wiele razy na sekundę, podczas gdy istniejące wysokoenergetyczne systemy laserowe wymagają długich okresów chłodzenia między „strzałami”. Te zalety byłyby przydatne w warunkach komercyjnych, ponieważ znacznie obniżyłyby koszty eksploatacji i nieco obniżyły koszt budowy zakładu w porównaniu z systemem laserowym.

Podstawowa koncepcja była czasami sugerowana przed 1970 rokiem, przy użyciu elektronów lub protonów. Podstawowe ograniczenia dotyczące ogniskowania wiązki za pomocą elektronów i odległości zatrzymywania protonów doprowadziły do ​​koncepcji wykorzystania ciężkich jonów, których większa masa pozwala im pozostać bardziej skupionymi i szybciej się zatrzymywać. Duże spotkanie w 1976 roku doprowadziło do szybkiego przyjęcia tej koncepcji w późnych latach siedemdziesiątych i wczesnych osiemdziesiątych. Pod koniec lat siedemdziesiątych fuzja ciężkich jonów (HIF) została opisana jako „konserwatywne podejście” do działającego reaktora termojądrowego. Kulminacją dalszych prac był projekt HYLIFE-II, przygotowany w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) na początku lat 90.

Od tego czasu, pomimo ciągłego zainteresowania, nie zbudowano żadnego eksperymentalnego urządzenia na dużą skalę wykorzystującego to podejście. Ma tę wadę, że akceleratory o wymaganej energii można zbudować tylko w dużych rozmiarach, rzędu kilometrów, co utrudnia testowanie z tanimi systemami. W przeciwieństwie do tego, nawet małe lasery mogą osiągnąć pożądane warunki, dlatego pozostają w centrum zainteresowania podejścia ICF.

Tło

Podstawy fuzji

Główny artykuł: Fuzja jądrowa

Fuzja ma miejsce, gdy atomy zbliżają się do siebie, a siła jądrowa przyciąga je do siebie, tworząc jedno większe jądro . Przeciwdziałanie temu procesowi to dodatni ładunek jąder, które odpychają się siłą elektrostatyczną . Aby doszło do fuzji, jądra muszą mieć wystarczającą energię, aby pokonać tę barierę kulombowską . Bariera jest obniżona dla atomów o mniejszym ładunku dodatnim, z najmniejszą liczbą protonów . Siła jądrowa jest zwiększana o dodatkowe nukleony, całkowitą liczbę protonów i neutronów . Oznacza to, że połączenie deuteru i trytu ma najniższą barierę kulombowską, przy około 100 keV (patrz wymagania dotyczące syntezy jądrowej ), ponieważ zawierają one pojedynczy proton i jeden lub dwa neutrony.

Kiedy paliwo jest podgrzewane do wysokich energii, elektrony oddzielają się od jąder, pozostawiając pojedyncze jony i elektrony zmieszane w gazopodobnej plazmie . Cząstki w gazie są rozłożone w szerokim zakresie energii, znanym jako rozkład Maxwella – Boltzmanna . W dowolnej temperaturze większość cząstek ma niższe energie, z „ długim ogonem”. " zawiera mniejszą liczbę cząstek o znacznie wyższych energiach. Tak więc, podczas gdy próg 100 keV reprezentuje temperaturę ponad miliarda stopni, aby wywołać syntezę jądrową, paliwo nie musi być ogrzewane do tej temperatury jako całości; niektóre reakcje będą występują przy niższych temperaturach masowych ze względu na małą liczbę wysokoenergetycznych cząstek w mieszance.

Reakcje syntezy jądrowej wydzielają duże ilości energii, a część tej energii zostanie ponownie osadzona w paliwie, ogrzewając je. Istnieje temperatura krytyczna, w której szybkość reakcji, a tym samym energia zgromadzona w paliwie, równoważy straty do środowiska poprzez uciekające cząstki i promieniowanie. W tym momencie reakcja staje się samopodtrzymująca, punkt znany jako zapłon . W przypadku paliwa DT samonagrzewanie jest pierwotne dzięki cząsteczkom alfa a odpowiednia temperatura wynosi od 50 do 100 milionów stopni. Ogólna szybkość syntezy zależy od kombinacji temperatury, gęstości i czasu utrzymywania energii, znanej jako potrójny produkt syntezy jądrowej .

Reaktory termojądrowe

Opracowano dwa podstawowe podejścia do problemu energii termojądrowej . Najszerzej badanym podejściem jest uwięzienie magnetyczne . Ponieważ plazma jest naładowana elektrycznie, będzie podążać za magnetycznymi liniami sił, a odpowiedni układ pól może utrzymać paliwo z dala od ścian pojemnika. Paliwo jest następnie podgrzewane przez dłuższy czas. Przy gęstościach, które są możliwe przy użyciu magnesów, proces syntezy jest dość powolny, więc to podejście wymaga długich czasów uwięzienia, rzędu dziesiątek sekund. Ograniczenie gazu w milionach stopni w takiej skali czasowej okazało się trudne, chociaż nowoczesne maszyny eksperymentalne zbliżają się do warunków potrzebnych do produkcji energii netto, lub próg rentowności .

Drugim głównym podejściem jest uwięzienie bezwładnościowe . Alfa z reakcji syntezy jądrowej pokonują odległość zależną od gęstości paliwa. Przy niskich gęstościach reaktora magnetycznego, często określanych jako „dobra próżnia”, może to być rzędu wielu metrów, ale przy bardzo dużych gęstościach jest to znacznie zmniejszone, aż do mikronów . Podejście bezwładnościowe wykorzystuje ten efekt, sprężając paliwo do bardzo dużej gęstości, w którym to momencie niewielka kropla paliwa rzędu miligramów wystarczy, aby umożliwić zapłon. Dodatkowo zawalenie powoduje wzrost temperatury paliwa przez proces adiabatyczny , dostarczający dwa z trzech wejść produktu potrójnego.

Nie ma próby utrzymania tych warunków przez jakikolwiek znaczący okres czasu, paliwo eksploduje na zewnątrz wkrótce po zakończeniu impulsu sterującego, spowalniane jedynie przez bezwładność cząstek. Czas uwięzienia jest rzędu mikrosekund, więc temperatury i gęstość muszą być bardzo wysokie, aby jakakolwiek znaczna ilość paliwa uległa stopieniu. Takie podejście okazało się skuteczne w wytwarzaniu reakcji syntezy jądrowej, ale do tej pory urządzenia, które mogą zapewnić kompresję, zwykle lasery , wymagają znacznie więcej energii niż produkują reakcje.

Szczegóły ICF

W procesie ICF występują dwa oddzielne efekty, jednym jest sprężanie paliwa, aby alfa zostały w nim wychwycone, a drugim jest podgrzanie paliwa do temperatur potrzebnych do rozpoczęcia reakcji. Aby skutecznie wychwycić alfa, pożądana jest gęstość około 1000 razy większa od gęstości wody, co wymaga energii wiązki około 107 dżuli na gram (J/g) masy docelowej. Natomiast podgrzanie paliwa do temperatury topnienia wymaga około 10 9 J/g. Z tego powodu włożono wysiłek w sposoby oddzielnego podgrzewania paliwa; typowym rozwiązaniem jest ukształtowanie dostarczania energii w celu wytworzenia krótkiego okresu wyższej energii, tworząc falę uderzeniową, która przechodzi do sprężającego paliwa. Jest to znane jako „zapłon gorącego punktu”.

Schemat etapów ICF. Niebieskie strzałki przedstawiają kierowcę; pomarańczowy to zdmuchnięcie; fioletowy to energia cieplna transportowana do wewnątrz.
  1. Jony lub promienie rentgenowskie szybko podgrzewają powierzchnię celu, tworząc otaczającą go otoczkę plazmową.
  2. Paliwo jest sprężane przez rakietowe wydmuchiwanie powierzchni i ciągłe napływające promieniowanie.
  3. Podczas końcowej części implozji rdzeń osiąga gęstość 1000 razy większą od wody i zapala się.
  4. Spalanie termojądrowe szybko rozprzestrzenia się w sprężonym paliwie, dając wielokrotnie większą energię wejściową.

Większość dotychczasowych systemów ICF wykorzystywała lasery jako „sterownik”. W prostym przypadku, gdy laser jest skierowany bezpośrednio na cel paliwowy, znany jako „napęd bezpośredni”, ciepło wytwarzane przez laser powoduje eksplozję zewnętrznej warstwy plastikowej kapsułki na zewnątrz. Ze względu na trzecie prawo Newtona powoduje to, że wnętrze kapsuły jest wpychane do wewnątrz. Napęd bezpośredni nakłada bardzo silne ograniczenia na ogniskowanie i czas dostarczania i jest trudny do osiągnięcia. Z tego powodu większość dużych urządzeń ICF wykorzystuje proces „napędu pośredniego”, w którym sterownik nagrzewa metalowy cylinder zwany „hohlraum” tak gorący, że zaczyna uwalniać Promienie rentgenowskie , które z kolei oświetlają zawieszoną w środku kapsułkę. Pozwala to na prowadzenie procesu ogrzewania przez dłuższy czas i zmniejsza potrzebę tak ciasnego ogniskowania, ale ma tę wadę, że znaczna część pierwotnej energii wiązki jest wykorzystywana do ogrzewania cylindra i nie przyczynia się do implozji.

Diagram Sankeya energii lasera do promieniowania rentgenowskiego Hohlrauma do sprzężenia energii kapsuły docelowej. Zwróć uwagę, że „energia lasera” jest po konwersji na UV , która traci około 50% pierwotnej mocy IR . Konwersja ciepła promieniowania rentgenowskiego na energię w paliwie powoduje utratę kolejnych 90% – z 1,9 MJ światła UV tylko około 10 kJ trafia do samego paliwa.

Dostarczenie impulsu o wymaganym poziomie energii i czasie jest poważnym wyzwaniem. Do tej pory zapotrzebowanie na energię było zwykle zaspokajane przy użyciu złożonych neodymem , których ogólna wydajność wynosiła około 1%. Układy optyczne potrzebne do skupienia i kontrolowania wiązki usuwają dodatkowe 50% energii, aw przypadku napędu pośredniego znaczne ilości pozostałej energii są tracone nagrzewając metalowy cylinder. Dla National Ignition Facility , największego i najpotężniejszego dotychczas systemu ICF, tylko około 10 do 14 kJ z pierwotnych 4 MJ pierwotnej energii lasera dociera do celu, co wymagało 422 MJ energii elektrycznej do wytworzenia.

Aby reakcje syntezy jądrowej wytworzyły wystarczającą ilość energii, aby dopasować pierwotną energię lasera, będzie musiał wytworzyć co najmniej 4 MJ, a ze względów praktycznych co najmniej trzy razy więcej, co implikuje stosunek wejściowej energii lasera do wyjściowej energii syntezy jądrowej energia lub zysk musi być rzędu setek lub tysięcy. Do tej pory rekord na NIF wynosi 1,3 MJ syntezy jądrowej z 2 MJ mocy wyjściowej lasera, z 422 MJ energii elektrycznej, więc jest bardzo mało prawdopodobne, aby obecne podejście mogło kiedykolwiek zostać wykorzystane do produkcji energii.

Alternatywni kierowcy

W 1963 roku Friedwardt Winterberg przedstawił koncepcję zapalania syntezy jądrowej przy użyciu małych grup cząstek, które zostały przyspieszone do około 200 km/s, koncepcję znaną obecnie jako fuzja uderzeniowa klastra . Ta koncepcja nie jest podobna do nowoczesnego ICF, ponieważ przyspieszone cząstki mają ulec bezpośredniej fuzji i nie są używane wyłącznie jako sterownik, jak w koncepcji ICF. Publikacja kilku artykułów związanych z ICF pod koniec lat 60. skłoniła Winterberga do opublikowania artykułu z 1968 r., W którym opisano użycie przyspieszonych elektronów lub jonów zamiast systemów laserowych w układzie ICF.

Al Maschke, pracujący w Synchrotronie Przemiennego Gradientu Brookhaven National Laboratory (AGS) zasugerował użycie synchrotronu protonowego, takiego jak AGS, jako podstawy dla sterownika ICF. Mogłoby to zapewnić pożądaną energię przy stosunkowo niewielkich ulepszeniach. Jednak dalsze badania wykazały problem z tym podejściem; wiązka rozchodziłaby się nadmiernie z powodu odpychania podobnego ładunku i trudno byłoby uzyskać intensywność potrzebną do ICF. Dodatkowo protony zatrzymywałyby się w obrębie celu paliwowego na różnych głębokościach, co utrudniałoby kontrolowanie dynamiki implozji. Oba te problemy skłoniły Maschkego do zasugerowania około 1975 r. przejścia z protonów na cięższe jony, takie jak cez, ksenon, rtęć lub ołów. Na początku 1976 roku Dennis Keefe zaproponował, aby w tym celu działał liniowy akcelerator indukcyjny.

Znaczącym wydarzeniem w historii HIF było dwutygodniowe spotkanie w lipcu 1976 r. W hotelu Claremont w Berkeley w Kalifornii, gdzie pomysły Maschkego były badane przez około pięćdziesięciu uczestników ze wszystkich głównych akceleratorów cząstek i laboratoriów syntezy jądrowej oraz uniwersytetów. Ich raport ze spotkania wykazał, że nie było problemów z czerwoną flagą i że potencjał tej koncepcji sugerował bardziej szczegółowe badanie. Doprowadziło to do kilku dalszych badań, w Brookhaven w 1977 r., Argonne w 1978 r. i Oakland w 1979 r., wszystkie z podobnie obiecującymi wynikami. W przeglądzie całej dziedziny ICF z maja 1979 roku John S. Foster Jr. doszedł do wniosku, że HIF był najlepszym wyborem dla reaktora termojądrowego ICF, „jeśli chciałeś zastosować konserwatywne podejście”.

Po dalszych kłótniach, w 1983 roku Departament Energii został ostatecznie przekonany do zapewnienia pewnych funduszy na utworzenie oficjalnej organizacji zarządzającej tymi wysiłkami, programu badawczego Heavy Ion Fusion Accelerator Research lub HIFAR. W ciągu następnej dekady grupa HIFAR w Lawrence Berkeley wraz z podobnymi grupami w Lawrence Livermore i innych miejscach kontynuowała badanie podstawowej koncepcji. Badania kontynuowano przez następną dekadę, w wyniku czego powstały dwa kompletne projekty elektrowni, HYLIFE i HYLIFE-II.

Świeże spojrzenie

W tym samym okresie klasyczne laserowe podejście do ICF doznało szeregu znaczących niepowodzeń. Duża część przewidywanej wydajności tych projektów była oparta na symulacjach komputerowych z wykorzystaniem programów takich jak LASNEX . Wczesne symulacje sugerowały, że pewnego wzmocnienia syntezy jądrowej można się spodziewać nawet przy stosunkowo niskich energiach wiązki, rzędu 10 kJ, ale kiedy to przewidywanie zostało przetestowane w systemie Shiva , wiele nieprzewidzianych problemów radykalnie obniżyło wydajność o współczynnik około 10 000. Aktualizacje LASNEX sugerowały, że wystarczy większy system o mocy kilkuset kJ, ale wynikowa Nova zamiast tego system zbudowany na taką skalę wykazał kolejny zestaw istotnych problemów i po raz kolejny nie spełnił przewidywań.

Eksperymenty z użyciem broni nuklearnej jako sterownika zamiast lasera, części Halite / Centurion, sugerowały, że potrzebne są znacznie wyższe energie, być może nawet 100 MJ, znacznie przekraczające możliwości jakiegokolwiek systemu laserowego. Nawet w najlepszym przypadku, przy różnych postępach w kształtowaniu celu i synchronizacji impulsu energii, potrzebne byłyby co najmniej 2 MJ. do zrównoważenia energii potrzebne byłyby zyski z syntezy jądrowej rzędu Q = 100, nawet pomijając wszystkie mechanizmy strat.

Ta seria wydarzeń doprowadziła do ponownego zainteresowania HIF. Ponieważ wydajność przetwornika była znacznie wyższa, wymagane wzmocnienie było odpowiednio niższe, rzędu Q = 10. Mniejsze wzmocnienie oznaczało znacznie mniej wymagającą dynamikę implozji, a także słabsze eksplozje, które można było zmieścić w mniejszym urządzeniu. Od późnych lat 90. laboratoria na całym świecie nadal generują dość ciągły strumień artykułów na ten temat i przeprowadzono pewne eksperymenty na małą skalę z odpowiednimi akceleratorami.

Aktualny stan

Praktycznym problemem dla podejścia HIF jest fakt, że aby zapewnić odpowiednią energię i synchronizację, akcelerator musi być duży. Chciałoby się, aby większość jonów zatrzymywała się mniej więcej w tym samym miejscu w celu, aby uzyskać efekt symetryczny. Aby to zrobić, energia jonów musi być dość precyzyjna. W przypadku powszechnie stosowanego rodzaju jonów, ołowiu, energia ta wynosi około 8 GeV, aby jony zatrzymały się w średniej odległości 1 mm, jednocześnie dostarczając wystarczającą ilość energii do celu. Akcelerator zdolny do dostarczania jonom ołowiu takiego poziomu energii nie jest ani mały, ani niedrogi, nawet dla niewielkiej liczby jonów, co utrudnia produkcję w urządzeniu na małą skalę.

Natomiast lasery o wymaganej wydajności można zbudować praktycznie w dowolnej skali. Jest to główny powód, dla którego HIF nie doczekał się rozwoju; najmniejsza możliwa maszyna jest wciąż dość duża i droga. Do celów rozwojowych lasery byłyby prostsze i tańsze, a ostatecznie działały w podobny sposób pod względem fizyki implozji. To powiedziawszy, w miarę kontynuacji programu laserowego ICF wykazano, że potrzebne są coraz większe sterowniki, czego kulminacją jest NIF, który przy około 4 miliardach dolarów i wielkości dwóch boisk piłkarskich nie jest ani mały, ani niedrogi.

W 2003 roku DOE postanowiło skoncentrować wszystkie swoje wysiłki ICF na programie NIF, ponieważ wiele projektów post-NIF będzie opartych na jego wynikach. Plany różnych mniejszych koncepcji testowych dla programu HIF w dużej mierze zakończyły się w tym czasie. Niepowodzenie NIF w osiągnięciu zapłonu od 2021 r. Podważa również podejście HIF.

Opis

Fizyka celu

Energia potrzebna do skompresowania celu ICF do wymaganej gęstości wynosi około 107 J /g, więc dla małych ilości paliwa rzędu 1 mg zapotrzebowanie na energię wynosi około 10 kJ. Jednak do podgrzania paliwa do temperatury topnienia potrzebna jest dodatkowa energia, sama kompresja nie wystarczy do około 109 J /g. Prowadzi to do różnych mechanizmów obniżających to zapotrzebowanie do około 10 8 J/g, a więc łącznie około 100 kJ na 1 mg paliwa. Różnorodne mechanizmy strat podczas kompresji powodują utratę około 90% tej energii, a więc przetworniki muszą być rzędu 1 MJ.

W latach siedemdziesiątych XX wieku, kiedy po raz pierwszy rozważano tę koncepcję, najpotężniejsze akceleratory, zwykle wykorzystujące elektron lub proton, przyspieszały niewielką liczbę cząstek do wysokich energii. Te, które mogły osiągnąć 1 MJ, na ogół robiły to z protonami o energiach około 20 GeV. Te wysoce relatywistyczne cząstki przechodzą przez małe obiekty bez zwalniania, co czyni je nieodpowiednimi dla ICF. W idealnej sytuacji kierowca chciałby użyć znacznie większej liczby cząstek o niższej energii, które zatrzymają się szybciej. Przy nierelatywistycznych energiach, mniejszych niż 20 MeV, mają one rozsądną szansę na zatrzymanie się w małym obiekcie. Przy tych energiach liczba cząstek lub „jasność” wymagana do dostarczenia potrzebnej energii znacznie przekracza wszelkie istniejące technologie.

1/2 cząstek jest ma pewną zaletę w postaci zmniejszenia prędkości, ponieważ energia = mv 2 , ale masa jest liniowa z energią, podczas gdy prędkość kwadratem, więc zmniejszenie prędkości nie jest duże. Kluczową zaletą jest sposób, w jaki cząstki spowalniają w celu. Kiedy mijają atomy w celu, ich ładunek elektryczny jonizuje atomy docelowe i to właśnie te interakcje spowalniają cząstkę w procesie rozpraszania znanym jako kolizja kulombowska . Ciekawym efektem zderzenia kulombowskiego jest szczyt Bragga, który jest spowodowany spowolnieniem jonu pod koniec jego trajektorii. Efekt ten oznacza, że ​​gdy jony zostaną wstrzelone w substancję, większość z nich zostanie osadzona w dobrze określonej odległości. Dla dowolnej wybranej drogi zatrzymania i wybranej energii cząstki ciężki jon zatrzyma się na odległości o około trzy rzędy wielkości krótszej niż proton, co znacznie ułatwi zorganizowanie systemu.

Projekt docelowy

Podobnie jak w przypadku ICF napędzanego laserem, HIF można zbudować przy użyciu koncepcji napędu bezpośredniego lub pośredniego, a główne powody zastosowania jednego lub drugiego są takie same; Napęd bezpośredni wymaga znacznie większej dokładności wiązki kierowcy, ale dostarcza około 15% energii ze sterownika do paliwa, podczas gdy napęd pośredni ma mniejsze znaczenie dla rozmieszczenia i synchronizacji wiązki, dostarczając tylko około 5% energii do cel.

W przypadku napędu pośredniego system jest prawie identyczny jak w przypadku systemów napędzanych laserem, różnice dotyczą głównie konstrukcji hohlraum. W urządzeniach laserowych hohlraum ma postać otwartych cylindrów, a promienie lasera przechodzą przez końce i na wewnętrzne ściany. W przypadku sterownika jonów droga hamowania prowadziłaby do przechwytywania promieni rentgenowskich wewnątrz ścian Hohlraum. Zamiast tego hohlraum ma postać cienkiej skorupy, zwykle jajowatej, z zawieszonymi wewnątrz małymi metalowymi płytkami. Ściana hohlraum jest na tyle cienka, że ​​jest niewidoczna dla promieni, które zamiast tego uderzają w grubsze płyty, nagrzewając się, aż zaczną emitować promienie rentgenowskie wypełniające skorupę. Promienie rentgenowskie powodują następnie zapadnięcie się kapsuły paliwowej w dokładnie taki sam sposób, jak obudowa lasera. W tym przypadku przetwornik HIF ma jednak jedną zaletę, ponieważ można go szybko oscylować przy wysokich częstotliwościach, umożliwiając przesuwanie wiązek w hohlraum w celu wyrównania ogrzewania. Tworzenie się gorących punktów na ścianach hohlraum okazało się problemem w urządzeniach laserowych, czego można by uniknąć.

Ponieważ droga zatrzymania jonów jest rzędu 1 mm, cele dla HIF z napędem bezpośrednim są na ogół większe i znacznie grubsze niż w systemach laserowych. Typowa konstrukcja ma promień około 4 mm, z zewnętrzną warstwą ołowiu lub złota, popychaczem wykonanym z lżejszego metalu, takiego jak aluminium, a następnie cienką warstwą paliwa DT przymarzniętą do wewnętrznej warstwy aluminium. Wewnętrzny rdzeń, około 2,8 mm, jest pusty. Taki projekt, z większą gęstością na zewnątrz i lżejszą wewnątrz, jest wzorem na niestabilność Rayleigha-Taylora (RT), więc cele i oświetlenie muszą być bardzo jednolite. Rozważania dotyczące oświetlenia sugerują, że potrzebnych jest od 16 do 32 wiązek. Niektóre konstrukcje kapsułek dodają cienką warstwę pianki, aby buforować kompresję i zmniejszyć RT.

Istotnym problemem we wczesnych systemach ICF było to, że impulsy laserowe były mniej więcej jednorodne w czasie. Stwierdzono, że energia ta odkładała się szybciej, niż mogła być wchłonięta przez kapsułę, co prowadziło do podgrzewania paliwa zamiast po prostu pchania. Doprowadziło to do nowoczesnej koncepcji „stopy”, początkowego okresu o znacznie niższej energii, który rozpoczyna proces sterownika, unikając wstępnego nagrzewania, a następnie „głównego impulsu”, który następuje pod koniec procesu, który napędza końcowy wysoki poziom - etap kompresji. Ze względu na masę warstwy popychającej cały proces jest wolniejszy niż w systemach laserowych, a impuls jako całość trwa około 35 ns, w porównaniu do być może 1 ⁄ 3 , że dla impulsów laserowych.

Projekty sterowników

Animacja pokazująca, jak działa akcelerator RF. Wykres V (x) przedstawia potencjał elektryczny wzdłuż osi akceleratora w każdym punkcie czasowym. Biegunowość napięcia RF zmienia się, gdy jon przechodzi przez każdą elektrodę, tak że pole elektryczne (strzałki) ma właściwy kierunek, aby je przyspieszyć. Animacja pokazuje przyspieszanie pojedynczej cząstki w każdym cyklu; w HIF duża liczba cząstek jest wtryskiwana i przyspieszana w każdym cyklu.

Istnieją dwie główne koncepcje projektowe układów napędowych, przy czym zespoły amerykańskie koncentrują się na akceleratorach indukcyjnych, a zespoły europejskie i japońskie na akceleratorach częstotliwości radiowych.

Akceleratory RF składają się z rury z okresowymi szczelinami, z których każda jest zamknięta we wnęce rezonansowej. Kiedy o częstotliwości radiowej zostanie przyłożony do szczeliny, każdy z nich zaczyna rezonować z wybraną częstotliwością. Powoduje to wytwarzanie siły elektrycznej w poprzek szczeliny, która przyspiesza jony wzdłuż rury. Sygnał jest synchronizowany w taki sposób, że osiąga szczyt, gdy przechodzi grupa jonów. Oznacza to, że może przyspieszać tylko krótkie impulsy jonów, a zatem wymaga pewnego sposobu ponownego połączenia impulsów.

Akceleratory indukcyjne składają się z szeregu elektromagnesów rozmieszczonych wzdłuż linii wiązki. Każdy jest zasilany, gdy jony go mijają, przyspieszając je. Ma to tę zaletę, że umożliwia owinięcie akceleratorów wokół wielu linii wiązki, przyspieszając je wszystkie w tym samym czasie.

W obu przypadkach potrzeba bardzo dużej mocy wiązki w bardzo krótkich impulsach, wraz z potrzebą skupienia tych wiązek do około 3 mm, wymaga szeregu nowych czynników konstrukcyjnych. Aby spełnić wymagania dotyczące ogniskowania, początkowe źródło jonów musi mieć bardzo niską emisyjność , czyli rozproszenie jonów w przestrzeni i prędkości. Zasadniczo jest to miara ich losowego ruchu podczas tworzenia, który jest funkcją ich temperatury. Aby zapewnić pożądaną emisję, należy opracować nowe wtryskiwacze niskotemperaturowe.

Dodatni ładunek elektryczny jonu odpycha je od siebie w czasie, co prowadzi do koncepcji limitu ładunku przestrzennego , czyli maksymalnej liczby jonów w danej objętości, które mogą pozostać skupione. Ta wartość jest znacznie poniżej wymagań do wytworzenia impulsu, który skompresuje cel. Projekty amerykańskie podchodzą do tego problemu, mając dużą liczbę równoległych linii wiązek, które łączą się, gdy zbliżają się do komory docelowej. Europejskie projekty faworyzują stosowanie pierścieni do przechowywania dla tej roli. W obu przypadkach początkowy długi impuls jonów jest skracany, aby wytworzyć coraz krótszy impuls. Na przykład w jednym z amerykańskich projektów impuls początkowy ma długość 27 µs i jest poddawany wielokrotnej kompresji, aż osiągnie zaledwie 10 ns.

W dowolnej wersji powstałe projekty są bardzo długie. Ilustracje w USA zazwyczaj wykorzystują zagiętą linię badawczą, która ma kształt litery U, o całkowitej długości rzędu 1 kilometra (0,62 mil). To jest główna wada podejścia HIF; chociaż możliwe jest zbudowanie akceleratora o mniejszym prądzie wiązki do celów testowych, poszczególne jony nadal wymagają tej samej energii, dzięki czemu akcelerator będzie miał podobne rozmiary, jak wersja o wyższym prądzie dla reaktora produkcyjnego.

Przewaga nad laserami

Stosowanie jonów w porównaniu z laserami ma istotne praktyczne zalety. Zacznijmy od tego, że lasery, które mogą osiągnąć pożądane poziomy energii, są wyjątkowo nieefektywne, rzędu 1% dostarczonej do nich energii elektrycznej kończy się jako fotony w wiązce. W przeciwieństwie do tego przetworniki HIF przekazują około 30 do 40% energii wejściowej do wiązki. To znacznie ułatwia wymaganą wydajność celów, jeśli celem jest produkcja energii netto; laser 4 MJ wymaga około 400 MJ energii elektrycznej i biorąc pod uwagę nowoczesny cykl Rankine'a generator ma około 40% wydajności, moc wyjściowa z kapsuły musi wynosić co najmniej około 1 GJ, aby naładować laser. W przeciwieństwie do tego, ta sama energia wiązki 4 MJ mogłaby być wytwarzana przez sterownik HIF o mocy 10 MJ, wymagając około 40 MJ mocy wyjściowej syntezy jądrowej, co jest znacznie prostszym celem. Biorąc pod uwagę dodatkowe straty w procesie, urządzenia HIF generalnie celują w wzmocnienie rzędu 50 do 70.

Kolejną istotną zaletą konstrukcji HIF jest jej zdolność do szybkiego strzelania z rzędu. Systemy szklane stosowane w laserach są nagrzewane przez przechodzenie wiązki, co powoduje ich pęcznienie i utratę ostrości, co wymaga trochę czasu na ostygnięcie, zanim będzie można ich ponownie użyć. W praktyce ogranicza to urządzenia takie jak NIF do kilku „strzałów” dziennie i chociaż można to zwiększyć dzięki zastosowaniu zaawansowanych systemów chłodzenia, mogą one skrócić czas strzelania do minut, a może dziesiątek sekund. W przeciwieństwie do tego, HIF-y nie mają wbudowanych elementów ogniskowania ani sterowania wiązką, a wszystko to jest obsługiwane przez magnesy otaczające linie wiązki. To pozwala im strzelać w sposób ciągły, a tempo od 10 do 15 strzałów na sekundę wydaje się możliwe. Jest to ogromna zaleta w przypadku działającej instalacji, w której czas wtrysku powinien być wystarczająco szybki, aby produkcja wyglądała na względnie ciągłą.

Możliwość elektrycznego sterowania wiązką zapewnia znaczne korzyści operacyjne. Sterowanie wiązką na małą skalę lub „kołysanie” jest przydatne podczas impulsu, aby wygładzić energię. W dłuższym przedziale czasowym należy uwzględnić ciągły ruch urządzenia spowodowany uginaniem się i zdarzeniami sejsmicznymi na długich dystansach przemieszczania się belek. W systemie laserowym wymaga to długotrwałej ponownej kalibracji, podczas gdy w przypadku HIF można to łatwo i być może przeprowadzić w sposób ciągły poprzez niewielkie zmiany pól w końcowych magnesach sterujących. Można to również wykorzystać do kierowania wiązek między zupełnie różnymi komorami reakcyjnymi, co zapewnia operacje przełączania awaryjnego i możliwość strzelania do różnych komór po kolei, jeśli pożądana częstotliwość pulsu jest większa niż jakakolwiek komora może zostać wyczyszczona.

Wreszcie optyka końcowa, w której laser wchodzi do komory reakcyjnej, podlega bezpośredniej emisji zdarzeń fuzji, w tym wysokoenergetycznych neutronów i różnych innych cząstek i promieniowania. Prowadzi to do ciągłej erozji okien, co może powodować znaczne problemy z wysokoenergetycznym światłem. Okazało się to poważnym problemem w laserowych urządzeniach ICF. Zdolność HIF do łatwego sterowania oferuje szereg prostych rozwiązań tych problemów, umożliwiając odizolowanie linii wiązki od reakcji za pomocą obracających się mechanicznych przesłon lub innych koncepcji.

Ekonomia

W latach 90. i do 2000. opublikowano kilka badań projektowych, wspomaganych przez coraz lepsze symulacje procesu ICF, a także ciągłe ulepszenia w projektowaniu akceleratorów. Punktem kulminacyjnym była publikacja w październiku 1990 r. Studium projektowego HYLIFE-II dla elektrowni HIF wykorzystującej stopiony flibe do ochrony ścian komory reakcyjnej, a także do hodowli trytu jako paliwa. Bazowy projekt o mocy 1 GWe skutkował oczekiwanym uśrednionym kosztem energii elektrycznej (LCOE) wynoszący 9 centów/kWh w dolarach z 1988 r., czyli równowartość 0,21 USD w 2021 r. Nawet w tamtym czasie nie była to konkurencyjna wartość, a system stał się konkurencyjny dopiero wtedy, gdy reaktor powiększył się do bardzo dużego rozmiaru 2 GWe, co znacząco ograniczyłoby jego komercyjną przydatność. Artykuł kończy się następująco:

Aby być konkurencyjnym w stosunku do przyszłej energetyki węglowej i jądrowej LWR, koszt energii elektrycznej musi zostać obniżony o współczynnik 2.

Bardziej współczesna recenzja dochodzi do tego samego wniosku:

Wreszcie niezwykle ważne są badania mające na celu redukcję kosztów.

Notatki

Cytaty

Bibliografia

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heavy_ion_fusion&oldid=1140531940 ”