Диномак
Два цветных рисунка модели, синий слева и красный справа, демонстрирующие ряд более запутанных, хаотично-неупорядоченных спиралей синего цвета, сменяющихся менее запутанными, более упорядоченными спиралями красного цвета.
Модель, демонстрирующая формирование сферомака из хаотического начала. Диномак — это сферомак, образованный путем инжекции магнитного потока.

Dynomak — это концепция термоядерного реактора сферомак [1], разработанная Вашингтонским университетом при финансовой поддержке Министерства энергетики США . [2] [3]

Диномак — это сферомак , который запускается и поддерживается посредством инжекции магнитного потока . Он формируется, когда переменный ток используется для индуцирования магнитного потока в плазму . Электрический трансформатор переменного тока использует тот же процесс индукции для создания вторичного тока. После формирования плазма внутри динамомака релаксирует в свое самое низкое энергетическое состояние, сохраняя при этом общий поток. [4] [5] Это называется состоянием Тейлора , и внутри машины образуется плазменная структура, называемая сферомаком . Диномак — это разновидность сферомака, которая запускается и приводится в действие внешними индуцированными магнитными полями.

Технические корни

Неорганизованные линии, похожие на спагетти, на трех кадрах, образующие, организующиеся в тип тороида, в форме пончика, называемого сферомаком.
Формирование сферомака

Плазма — это жидкость , проводящая электричество, что придает ей уникальное свойство: она может самоструктурироваться в вихревые кольца (например, объекты, похожие на кольца дыма ), которые включают конфигурации с обращенным полем и сферомаки . Структурированная плазма имеет то преимущество, что она горячее, плотнее и более управляема, что делает ее хорошим выбором для термоядерного реактора. [6] Но формирование этих плазменных структур было сложной задачей с тех пор, как первые структуры были обнаружены в 1959 году [7] [8] [9], поскольку они по своей природе нестабильны.

В 1974 году доктор Джон Б. Тейлор предположил, что сферомак может быть сформирован путем индуцирования магнитного потока в петлевой плазме. Затем плазма естественным образом релаксирует в сферомак, также называемый состоянием Тейлора . [10] [5] Этот процесс работает, если плазма:

  • Сохранился полный магнитный поток
  • Минимизировал общую энергию

Позже, в 1979 году, эти заявления были проверены Маршаллом Розенблютом. [11] В 1974 году доктор Тейлор мог использовать только результаты, полученные с помощью устройства ZETA, чтобы подтвердить эти заявления. Но с тех пор состояния Тейлора были сформированы в нескольких машинах, включая:

  • Эксперимент Compact Torus Experiment (CTX) в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). CTX работал с ~1979 по ~1987 год. Он достиг электронной температуры 4,6 миллиона кельвинов [12], работал в течение 3 микросекунд [13] и имел отношение давления плазмы к магнитному давлению 0,2. [14]
  • Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) был более продвинутой версией CTX, которая использовалась для измерения процесса релаксации, приводящего к состоянию Тейлора. Машина работала с 1999 по 2007 год. [15]
  • Эксперимент «Сферомак» в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) представлял собой небольшую машину, которой управляла лаборатория доктора Пола Белланса с ~2000 по ~2010 год.
  • Helicity Injected Torus-Steady Inductive (HIT-SI) в Университете Вашингтона управлялся доктором Джарбо с ~2004 по ~2012 год. Это был предшественник динамо-машины. Машина создавала 90 килоампер стабильного плазменного тока в течение нескольких (<2) микросекунд [16] и продемонстрировала первый привод наведенного динамо-тока (IDCD) в 2011 году [17] Прорыв в области IDCD позволил группе доктора Джарбоса представить первую версию этой машины в масштабе реактора, названную динамо-машиной.

Диномак развился из эксперимента HIT-SI. HIT-SI прошел через несколько модернизаций: HIT-SI3 (~2013 до ~2020) и HIT-SIU (после ~2020), обе были вариантами одной и той же машины. [18] Эти машины продемонстрировали, что индуктивный ток может использоваться для создания и поддержания плазменной структуры сферомака.

Магнитно-индукционный привод

Сравнение динамо-машины и трансформатора переменного тока.
Сравнение динамо-машины и трансформатора переменного тока показывает, какой магнитный поток необходим для приведения в действие обеих машин.
Сравнение HIT-SI (слева) и HIT-SI3 (справа) демонстрирует различные типы и формы инжекторов флюса.
Сравнение HIT-SI (слева) и HIT-SI3 (справа) демонстрирует различные типы и формы инжекторов флюса.

По определению, динамо — это плазменная структура, которая запускается, формируется и поддерживается с помощью инжекции магнитного потока. Электрические трансформаторы используют аналогичный процесс; магнитный поток создается на первичной обмотке, и это создает переменный ток на вторичной стороне. Из-за закона индукции Фарадея только изменяющееся магнитное поле может индуцировать вторичный ток — вот почему трансформатор постоянного тока не может существовать. В динамо магнитная индукция используется для создания плазменного тока внутри заполненной плазмой камеры. Это заставляет плазму двигаться, и система в конечном итоге релаксирует в состояние Тейлора или сферомак . Процесс релаксации включает поток магнитной спиральности (закручивание линий поля) от инжекторов в центр машины. [19]

Сторонники этого подхода к нагреву утверждают, что индукция на 2-3 порядка эффективнее, чем радиочастотный (РЧ) или нейтральный лучевой нагрев. [19] [20] Если это правда, то это дает динамоку ряд явных преимуществ по сравнению с другими подходами к термоядерному синтезу, такими как токамаки или магнитные зеркала . Но это открытая область исследований; ниже приведены некоторые примеры того, насколько эффективен индуктивный привод в создании плазменного тока внутри динамока.

Эффективность привода Dynomak [21] [20]
Мощность индукции
(мегаватт)		Частота привода
(кГц)		Ток плазмы
(килоампер)		МашинаГод
35.812ХИТ-СИ2006
614.738ХИТ-СИ2011

В динамомашине используются инжекторы, представляющие собой изогнутые рычаги, прикрепленные к основной камере. Переменный ток подается по изгибу этих рычагов, что создает магнитный поток , который приводит в движение динамомашину. Вашингтонский университет экспериментировал с двумя и тремя инжекторами. Фаза переменного тока смещена, чтобы обеспечить непрерывную инъекцию потока в динамомашину. Количество инжекторов влияет на угол смещения: ток привода и, следовательно, инжекторы смещены на 90 градусов при двух инжекторах и на 60 градусов при трех инжекторах.

Преимущества

Структура плазмы сферомака формируется естественным образом, без необходимости в дополнительных технологиях. Сторонники утверждают, что это дает динамакам несколько неотъемлемых преимуществ, в том числе :

  • Это может избежать перегиба, взаимозамены и других плазменных нестабильностей, которые обычно преследуют плазменные структуры. По этой причине динамок может быть способен сжимать и нагревать плазму до предела Мерсера по числу бета. [22] Если это правда, это может в конечном итоге уменьшить реактор по сравнению с другими подходами к термоядерному синтезу.
  • Индуктивный привод может быть на 2–3 порядка эффективнее нагрева с помощью радиочастот или нейтрального луча. [19] [20] Это открытая область исследований.
  • Динамок может не нуждаться в дополнительном нагревательном оборудовании, таком как инжекция нейтрального луча.
  • В отличие от токамака, у динамо-машины нет центрального соленоида , что снижает массу, стоимость и потребность реактора в рабочей мощности.

По состоянию на 2014 год плотность плазмы достигла 5x10 19  м −3 , температура 60 эВ и максимальное время работы 1,5 мс. [ необходима ссылка ] Результаты по времени удержания отсутствуют. При таких температурах не происходит синтеза, альфа-нагрева или производства нейтронов.

Коммерциализация

После того, как технические принципы были доказаны в машине HIT-SI, доктор Джарбо бросил вызов своим студентам в Вашингтонском университете, поставив задачу разработать термоядерный реактор на основе этого подхода. [2] Студенты спроектировали динамокомплекс как электростанцию ​​реакторного уровня, которая была основана на открытиях, сделанных в HIT-SI и более ранних машинах.

В конце концов, эти студенты сформировали CT Fusion как ответвление от Вашингтонского университета, чтобы коммерциализировать dynomak в 2015 году. [23] Компания имеет эксклюзивные права на 3 патента Вашингтонского университета и привлекла более 3,6 миллионов долларов с 2015 по 2019 год в виде государственного и частного финансирования. [24] Аббревиатура CT означает Compact Toroid, что на протяжении десятилетий означало сферомаки. Компания получила финансирование в рамках гранта Advanced Research Projects Agency – Energy ( ARPA-E ) на финансирование термоядерных технологий. CT Fusion будет закрыта в 2023 году. [25]

В отличие от других конструкций термоядерных реакторов (таких как ИТЭР ), динамок, по словам его инженерной группы, может быть сопоставим по стоимости с обычной угольной электростанцией . [2] Диномок, как подсчитано, стоит в десять раз меньше ИТЭР и производит в пять раз больше энергии при эффективности 40 процентов. Диномак мощностью в один гигаватт обойдется в 2,7 миллиарда долларов США по сравнению с 2,8 миллиардами долларов США для угольной электростанции. [26]

Дизайн

Dynomak включает в себя разработанную ITER криогенную насосную систему. Spheromak использует сплющенный сфероид вместо конфигурации токамака , без центрального ядра или больших сложных сверхпроводящих магнитов , как во многих токамаках, например, ITER. Магнитные поля создаются путем помещения электрических полей в центр плазмы с помощью сверхпроводящих лент, обернутых вокруг сосуда, так что плазма удерживает сама себя. [26]

Диномак меньше, проще и дешевле в строительстве, чем токамак, такой как ИТЭР, при этом производя больше энергии. Реакция синтеза является самоподдерживающейся, поскольку избыточное тепло отводится расплавленным солевым одеялом для питания паровой турбины. [26] Прототип был примерно в одну десятую масштаба коммерческого проекта и мог эффективно поддерживать плазму. Более высокая производительность потребовала бы большего масштаба и более высокой температуры плазмы. [2]

Критика

Диномак использует медную стенку для сохранения и направления магнитного потока, который впрыскивается в машину. Эта стенка упирается в плазму, создавая возможность высоких потерь проводимости через металл. HIT-SI покрыл внутреннюю часть медной стенки изолятором из оксида алюминия, чтобы уменьшить эти потери, но это все еще может быть основным механизмом потерь, если машина перейдет в условия термоядерного реактора. [27]

Далее, введение магнитной спиральности в поле заставляет машину разрушать поверхности магнитного потока, которые удерживают и поддерживают плазменную структуру. Разрыв этих поверхностей был назван причиной того, что нагревательный механизм динамакса не работает так эффективно, как предсказывалось.

Наконец, динамокомплекс имеет сложную геометрию камеры, что усложняет и создает проблемы при обслуживании и вакуумной формовке.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ DA Sutherland, TR Jarboe et al., «Диномак: усовершенствованная концепция сферомак-реактора с наложенным током динамо-генератора и ядерными энергетическими технологиями следующего поколения», Fusion Engineering and Design , том 89, выпуск 4, апрель 2014 г., стр. 412–425
  2. ^ abcd Мишель Ма, «Концепция термоядерного реактора в Вашингтонском университете может быть дешевле угля», Вашингтонский университет , 8 октября 2014 г.
  3. ↑ Эван Акерман, «Внутри Dynomak», IEEE Spectrum , 26 ноября 2014 г.
  4. ^ Каптаноглу, Алан А. и др. «Расширенное моделирование для эксперимента HIT-SI». Препринт arXiv arXiv:2003.00557 (2020).
  5. ^ ab Тейлор, Дж. Брайан. «Релаксация тороидальной плазмы и генерация обратных магнитных полей». Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.
  6. ^ Голденбаум, Г., Дж. Ирби, И. Чонг и Г. Харт. «Формирование конфигурации плазмы сферомака». Physical Review Letters 44.6 (1980): 393-96. Web.
  7. ^ Kolb, AC; Dobbie, CB; Griem, HR (1 июля 1959 г.). «Смешивание полей и связанное с этим производство нейтронов в плазме». Physical Review Letters . 3 (1): 5– 7. doi :10.1103/PhysRevLett.3.5. ISSN  0031-9007.
  8. ^ Тушевский, М. (1 ноября 1988 г.). «Конфигурации обратного поля». Nuclear Fusion . 28 (11): 2033–2092 . doi :10.1088/0029-5515/28/11/008. ISSN  0029-5515.
  9. ^ Грин, ТС (1 октября 1960 г.). «Доказательства удержания горячей плотной плазмы в тета-пинче». Physical Review Letters . 5 (7): 297– 300. doi :10.1103/PhysRevLett.5.297. ISSN  0031-9007.
  10. ^ Беллан, Пол (2000). Сферомакс. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-141-2.
  11. ^ Розенблют, МН; МН Буссак. "МГД-стабильность сферомака". Nuclear Fusion 19.4 (1979): 489
  12. ^ Jarboe, TR, Wysocki, FJ, Fernandez, JC, Henins, I., Marklin, GJ, Physics of Fluids B 2 (1990) 1342-1346
  13. ^ «Физика в 1990-е годы», National Academies Press, 1986, стр. 198.
  14. ^ Высоцки, Ф.Дж., Фернандес, Дж.К., Хененс, И., Джарбо, ТР, Марклин, Г.Дж., Physics Review Letters 21 (1988) 2457-2460
  15. ^ Вуд, РД и др. «Управление частицами в физическом эксперименте с устойчивым сферомаком». Журнал ядерных материалов 290 (2001): 513-517.
  16. ^ Сик, П.Е. и др. «Первые результаты по плазме от HIT-SI Spheromak». Тезисы докладов APS Division of Plasma Physics Meeting. Том 45. 2003.
  17. ^ Сазерленд, Д.А. и др. «Диномак: усовершенствованная концепция термоядерного реактора с приводом от наложенного динамо-тока и ядерными энергетическими технологиями следующего поколения».
  18. ^ Морган, К. Д. и др. «Высокоскоростное управление обратной связью инжектора осциллирующей магнитной спиральности с использованием графического процессора». Обзор научных приборов 92.5 (2021): 053530.
  19. ^ abc Фиш, Натаниэль Дж. "Теория тока в плазме". Обзоры современной физики 59.1 (1987): 175
  20. ^ abc Jarboe, TR, et al. «Недавние результаты эксперимента HIT-SI». Nuclear Fusion 51.6 (2011): 063029
  21. ^ Jarboe, TR, et al. «Формирование сферомака путем стабильной инъекции индуктивной спиральности». Physical review letters 97.11 (2006): 115003
  22. ^ The Nuclear Fusion Shark Tank - June Call - PSS & CT Fusion. YouTube. Опубликовано онлайн 11 июня 2019 г. Доступ 2 мая 2022 г.
  23. ^ Доктор Мэтью Мойнихан. The Nuclear Fusion Shark Tank - June Call - PSS & CT Fusion. YouTube. Опубликовано онлайн 11 июня 2019 г. Доступ 2 мая 2022 г.
  24. ^ CTFusion. Fusionenergybase.com. Опубликовано в 2019 г. Доступно 2 мая 2022 г. https://www.fusionenergybase.com/organization/ctfusion
  25. ^ Стиффлер, Лиза (5 апреля 2023 г.). «Энергетический стартап CTFusion закрывается, поскольку соучредители переходят в конкурирующую компанию Zap».
  26. ^ abc Зонди, Дэвид (12 октября 2014 г.). «Реактор термоядерного синтеза Вашингтонского университета обещает энергию «дешевле угля»». newatlas.com . Получено 13 октября 2016 г. .
  27. ^ Сик, П.Е. и др. «Первые результаты по плазме от HIT-SI Spheromak». Тезисы конференции APS Division of Plasma Physics. Том 45. 2003 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Dynomak&oldid=1237706843"