Термоядерный реактор ARC
Теоретическая конструкция компактного термоядерного реактора

Реактор термоядерного синтеза ARC (доступный, надежный, компактный) — это проект компактного реактора термоядерного синтеза, разработанный Центром плазменной науки и термоядерного синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института (MIT ). ARC стремится достичь инженерной безубыточности в три раза (чтобы производить в три раза больше электроэнергии, необходимой для работы машины). Ключевым техническим новшеством является использование высокотемпературных сверхпроводящих магнитов вместо низкотемпературных сверхпроводящих магнитов ITER. Предлагаемое устройство будет примерно в два раза меньше реактора ITER и дешевле в изготовлении. [ 1]

ARC имеет обычную усовершенствованную схему токамака . ARC использует высокотемпературные сверхпроводящие магниты на основе редкоземельного оксида бария и меди (REBCO) вместо медной проводки или обычных низкотемпературных сверхпроводников . Эти магниты могут работать при гораздо более высоких напряженностях поля, 23  Тл , что примерно удваивает магнитное поле на оси плазмы. Время удержания частицы в плазме изменяется пропорционально квадрату линейного размера, а плотность мощности изменяется пропорционально четвертой степени магнитного поля [2] , поэтому удвоение магнитного поля обеспечивает производительность машины в 4 раза большей. Меньший размер снижает затраты на строительство, хотя это в некоторой степени компенсируется расходами на магниты REBCO.

Использование REBCO может позволить обмоткам магнита быть гибкими, когда машина не работает. Это позволит их «складывать», чтобы обеспечить доступ к внутренней части машины. Это значительно снизит затраты на техническое обслуживание, устраняя необходимость выполнять техническое обслуживание через небольшие порты доступа с использованием удаленных манипуляторов. Если это будет реализовано, это может улучшить коэффициент мощности реактора , важный показатель в стоимости выработки электроэнергии.

Первая машина, которая должна выйти из проекта, — это уменьшенная демонстрационная модель под названием SPARC (as Soon as Possible ARC). Ее должна построить компания Commonwealth Fusion Systems при поддержке Eni , Breakthrough Energy Ventures , Khosla Ventures , Temasek и Equinor . [3] [4] [5] [6]

История

Проект был анонсирован в 2014 году. [2] [7] Название и дизайн были вдохновлены вымышленным дуговым реактором, построенным Тони Старком , который в комиксах учился в Массачусетском технологическом институте.

Концепция родилась как «проект, реализованный группой студентов Массачусетского технологического института на курсе по проектированию термоядерного синтеза. Проект ARC был призван продемонстрировать возможности новой магнитной технологии путем разработки проектной точки для установки, производящей столько же термоядерной энергии, сколько ИТЭР, при наименьшем возможном размере. Результатом стала машина размером примерно в половину линейного размера ИТЭР, работающая при 9  тесла и производящая более 500 мегаватт (МВт) термоядерной энергии. Студенты также рассмотрели технологии, которые позволили бы такому устройству работать в устойчивом состоянии и производить более200 МВт электроэнергии." [8]

Конструктивные особенности

Конструкция ARC существенно отличается от традиционных токамаков , при этом сохраняется традиционное топливо D–T ( дейтерий - тритий ).

Магнитное поле

Чтобы достичь почти десятикратного увеличения плотности мощности термоядерного синтеза, конструкция использует сверхпроводящую ленту REBCO для своих тороидальных полевых катушек. [2] Этот материал позволяет более высокой напряженности магнитного поля удерживать нагретую плазму в меньшем объеме. Теоретически, плотность мощности термоядерного синтеза пропорциональна четвертой степени напряженности магнитного поля. [1] Наиболее вероятным кандидатом является оксид иттрия-бария-меди с расчетной температурой20 К , что позволяет использовать различные охладители (например, жидкий водород , жидкий неон или гелий) вместо гораздо более сложного охлаждения жидким гелием, выбранного ИТЭР. [2] В официальной брошюре SPARC показана секция кабеля YBCO, которая имеется в продаже и которая должна позволять поля до 30 Т. [9]

Планируется, что ARC будет представлять собой реактор-токамак мощностью 270 МВт с большим радиусом3,3 м , малый радиус1,1 м и магнитное поле на оси9,2  Т. [2 ]

Расчетная точка имеет коэффициент усиления термоядерной энергии Q p ≈ 13,6 (плазма производит в 13 раз больше термоядерной энергии, чем требуется для ее нагрева), но при этом является полностью неиндуктивной, с долей самовозбуждения ~63% [2] .

Конструкция обеспечивается пиковым полем на катушке ~23 Т. Внешний токовый привод обеспечивается двумя встроенными радиочастотными пусковыми установками, использующими25 МВт нижней гибридной и13,6 МВт мощности ионного циклотрона на быстрых волнах. Результирующий ток обеспечивает устойчивую плазму ядра, далекую от пределов разрушения. [2]

Съемный вакуумный сосуд

Конструкция включает съемный вакуумный сосуд (твердый компонент, который отделяет плазму и окружающий вакуум от жидкого бланкета). Он не требует демонтажа всего устройства. Это делает его хорошо подходящим для оценки изменений конструкции. [1]

Жидкое одеяло

Большинство твердых материалов покрытия, которые окружают камеру синтеза в обычных конструкциях, заменены расплавленной солью фтористого лития и бериллия (FLiBe) , которую можно легко циркулировать/заменять, что снижает затраты на техническое обслуживание. [1]

Жидкий бланкет обеспечивает замедление и экранирование нейтронов, отвод тепла и коэффициент воспроизводства трития ≥ 1,1. Большой диапазон температур, в котором FLiBe находится в жидком состоянии, позволяет бланкету работать при900 К с однофазным жидкостным охлаждением и циклом Брайтона . [2]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd "Достижения в области магнитных технологий могут перенести более дешевые модульные термоядерные реакторы из области научной фантастики в сферу научной реальности менее чем за десятилетие". 11 августа 2015 г. Получено 12 августа 2015 г.
  2. ^ abcdefgh Sorbom, BN; Ball, J.; Palmer, TR; Mangiarotti, FJ; Sierchio, JM; Bonoli, P.; Kasten, C.; Sutherland, DA; Barnard, HS (2014-09-10). "ARC: Компактная, высокополевая, термоядерная научная установка и демонстрационная электростанция с разборными магнитами". Fusion Engineering and Design . 100 : 378–405 . arXiv : 1409.3540 . Bibcode : 2015FusED.100..378S. doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.07.008. S2CID  1258716.
  3. ^ Девлин, Ханна (9 марта 2018 г.). «Ядерный синтез на грани реализации, говорят ученые Массачусетского технологического института». The Guardian . Получено 16 апреля 2018 г.
  4. ^ Рати, Акшат (26 сентября 2018 г.). «В поисках чистой энергии инвестиции в стартапы в области ядерного синтеза растут». Quartz . Получено 08.09.2020 .
  5. ^ Systems, Commonwealth Fusion. «Commonwealth Fusion Systems привлекает $115 млн и закрывает раунд серии A для коммерциализации термоядерной энергии». www.prnewswire.com (пресс-релиз) . Получено 08.09.2020 .
  6. ^ Systems, Commonwealth Fusion. «Commonwealth Fusion Systems привлекла $84 миллиона в раунде A2». www.prnewswire.com (пресс-релиз) . Получено 08.09.2020 .
  7. ^ Sorbom, BN; Ball, J.; Palmer, TR; Mangiarotti, FJ; Sierchio, JM; Bonoli, P.; Kasten, C.; Sutherland, DA; Barnard, HS; Haakonsen, CB; Goh, J.; Sung, C.; Whyte, DG (2015). "ARC: Компактная, высокополевая, термоядерная научная установка и демонстрационная электростанция с разборными магнитами". Fusion Engineering and Design . 100 : 378–405 . arXiv : 1409.3540 . Bibcode : 2015FusED.100..378S. doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.07.008. S2CID  1258716.
  8. ^ Официальная брошюра проекта SPARC. Архивировано 20 июня 2019 г. на Wayback Machine , стр. 19.
  9. ^ Официальная брошюра проекта SPARC. Архивировано 20 июня 2019 г. на Wayback Machine , стр. 25.
  • Markiewicz, WD; Larbalestier, DC; Weijers, HW; Voran, AJ; Pickard, KW; Sheppard, WR; Jaroszynski, J.; Xu, Aixia; Walsh, RP (2012-06-01). "Проектирование сверхпроводящего магнита 32 Т с катушками REBCO High Field". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 22 (3): 4300704. Bibcode : 2012ITAS...2243007M. doi : 10.1109/TASC.2011.2174952. ISSN  1051-8223. S2CID  23718762.
  • Larbalestier, David (15 марта 2010 г.). "Трансформационные возможности YBCO/REBCO для магнитной технологии" (PDF) . Superpower Inc . Получено 12 августа 2015 г. .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ARC_fusion_reactor&oldid=1257644507"