Manyetik hapsetme füzyonu - Magnetic confinement fusion - Wikipedia

Sıcak plazma, manyetik olarak bir Tokamak

Manyetik hapsetme füzyonu üretmek için bir yaklaşımdır termonükleer füzyon gücü o kullanır manyetik alanlar füzyon yakıtını bir plazma. Manyetik hapsetme, iki ana daldan biridir. füzyon enerjisi araştırması, ile birlikte eylemsizlik hapsi füzyonu. Manyetik yaklaşım 1940'larda başladı ve sonraki gelişmelerin çoğunu emdi.

Füzyon reaksiyonları ışığı birleştirir atom çekirdeği gibi hidrojen gibi daha ağır olanlar oluşturmak için helyum, enerji üretiyor. Üstesinden gelmek için elektrostatik itme çekirdekler arasında, on milyonlarca derecelik bir sıcaklığa sahip olmaları gerekir. plazma. Ek olarak, plazma, aşağıda belirtilen şekilde, yeterli bir süre boyunca yeterli yoğunlukta tutulmalıdır. Lawson kriteri (üçlü ürün).

Manyetik hapsetme füzyonu, elektiriksel iletkenlik plazmanın manyetik alanlarla etkileşim yoluyla içerdiği. manyetik basınç plazma basıncını dengeler. Aşırı türbülans veya sızıntı olmaksızın yakıtı içeren uygun bir tarla düzenlemesi geliştirmek, bu teknolojinin temel zorluğudur.

Tarih

Manyetik füzyon enerjisinin (MFE) gelişimi üç farklı aşamada geldi. 1950'lerde MFE'nin elde edilmesinin nispeten kolay olacağına inanılıyordu ve uygun bir makine yapmak için bir yarış başlatıyordu. 1950'lerin sonlarında, plazma türbülansının ve istikrarsızlıklarının sorunlu olduğu açıktı ve 1960'larda, "sıkıntılar", plazma fiziğinin daha iyi anlaşılmasına yöneldi.

1968'de bir Sovyet ekibi Tokamak alternatiflerinden on kat daha iyi performans gösteren ve tercih edilen yaklaşım haline gelen manyetik hapsetme cihazı.

Bu tasarım kullanılarak 500 MW'lık bir enerji üreten füzyon tesisinin inşası, ITER, başladı Fransa En son takvimi, 2025'te faaliyete geçmesidir.

Plazma

Yakıt bir füzyon reaktörüne enjekte edildiğinde, hapishaneden kaçmasına neden olabilecek güçlü "haydut" dalgalar yaratılabilir. Bu dalgalar verimliliği azaltabilir veya hatta füzyon reaksiyonunu durdurabilir. Matematiksel modeller hileli bir dalganın olasılığını belirleyebilir ve onu iptal etmek için bir karşı dalganın tam açısını hesaplayabilir.^[1]

Manyetik adalar, manyetik alan çizgilerinin alanın geri kalanından ayrıldığı ve yakıtın kaçmasına izin veren bir tüp oluşturduğu anormalliklerdir. Büyük manyetik adaların varlığı füzyonu bozar. Dondurulmuş döteryum peletlerinin yakıt karışımına enjekte edilmesi, adaları bozacak kadar türbülansa neden olabilir.^[1]

Türler

Manyetik aynalar

Füzyon enerjisi araştırmalarının ilk yıllarında önemli bir araştırma alanı, manyetik ayna. İlk ayna cihazlarının çoğu, plazmayı, tüpün her iki ucunda artan alan kuvveti ile bir solenoidde oluşturulan düzlemsel olmayan manyetik alanın odağı yakınında sınırlandırmaya çalıştı. Hapsedilme alanından kaçmak için, çekirdeklerin her mıknatısın yanında küçük bir dairesel alana girmesi gerekiyordu. Çekirdeklerin bu alandan kaçacağı biliniyordu, ancak sürekli yakıt ekleyip ısıtarak bunun üstesinden gelinebileceği düşünülüyordu.

1954'te, Edward Teller plazmanın hapsetme alanlarından hızla yanlara kaçacağını öne süren teorik bir problemi özetlediği bir konuşma yaptı. Bu, ayna alanının merkezinde bulunan dışbükey manyetik alanlara sahip herhangi bir makinede meydana gelebilir. Mevcut makinelerin başka sorunları da vardı ve bunun olup olmadığı belli değildi. 1961'de bir Sovyet ekibi bunu kesin olarak gösterdi. flüt dengesizliği gerçekten meydana geliyordu ve bir ABD ekibi bu sorunu görmediklerini söylediğinde, Sovyetler deneylerini inceledi ve bunun basit bir alet hatasından kaynaklandığını kaydetti.

Sovyet ekibi ayrıca "Ioffe çubukları" şeklinde potansiyel bir çözüm sundu. Bunlar, plazmayı her noktada içbükey olan yeni bir şekle bükerek Teller'ın işaret ettiği sorundan kaçınıyordu. Bu, hapishanede açık bir gelişme olduğunu gösterdi. Daha sonra bir İngiliz takımı, ABD'de "beyzbol" olarak kullanılan "tenis topu" olarak adlandırdıkları bu mıknatısların daha basit bir düzenlemesini tanıttı. Birkaç beyzbol serisi makine test edildi ve çok daha gelişmiş performans gösterdi. Bununla birlikte, teorik hesaplamalar, üretebilecekleri maksimum enerji miktarının, mıknatısları çalıştırmak için gereken enerji ile yaklaşık aynı olacağını gösterdi. Enerji üreten bir makine olarak, ayna bir çıkmaz sokak gibi göründü.

1970'lerde bir çözüm geliştirildi. Büyük bir solenoidin her iki ucuna bir beyzbol bobini yerleştirerek, tüm tertibat çok daha büyük bir plazma hacmi tutabilir ve böylece daha fazla enerji üretebilir. Planlar, bu "tandem ayna" tasarımının büyük bir cihazını inşa etmeye başladı. Mirror Fusion Test Tesisi (MFTF). Bu düzeni daha önce hiç denemedim, daha küçük bir makine, Tandem Ayna Deneyi (TMX) bu düzeni test etmek için oluşturuldu. TMX, MFTF'nin performans hedeflerine ulaşamayacağını öne süren yeni bir dizi problem gösterdi ve inşaat sırasında MFTF, MFTF-B olarak değiştirildi. Ancak, bütçe kesintileri nedeniyle MDTF'nin inşaatı tamamlandıktan bir gün sonra nafaka verildi. Aynalar o zamandan beri çok az gelişme gösterdi.

Toroidal makineler

Toroidal füzyon reaktörü kavramı

Z-tutam

Bir kontrol füzyon reaktörü inşa etmek için ilk gerçek çaba, çimdik efekti toroidal bir kapta. Geniş bir trafo kabı sarmak için kullanıldı teşvik etmek içindeki plazmada bir akım. Bu akım bir manyetik alan bu plazmayı ince bir halka halinde sıkıştırarak onu "kıstırır". Kombinasyonu Joule ısıtma şimdiki ve adyabatik ısıtma kıstırdıkça, plazmanın sıcaklığını on milyonlarca Kelvin derecesinde gereken aralığa yükseltir.

İlk olarak 1948'de İngiltere'de inşa edilen ve ardından İngiltere ve ABD'de bir dizi giderek daha büyük ve güçlü makinelerin izlediği tüm eski makineler, plazmada güçlü istikrarsızlıklara maruz kaldığını kanıtladı. Bunların arasında kayda değer olan bükülme dengesizliği, bu da sıkışan halkanın gerekli sıcaklıklara ulaşmadan çok önce etrafa çarpmasına ve kabın duvarlarına çarpmasına neden oldu. Konsept o kadar basitti ki, bu sorunları çözmek için müthiş bir çaba sarf edildi.

Bu, sıkıştırılırken "plazmaya bir omurga vermek" için harici mıknatıslar ekleyen "stabilize kıstırma" konseptine yol açtı. Bu türden en büyük makine İngiltere'nin ZETA reaktör, 1957'de tamamlandı ve başarıyla füzyon ürettiği ortaya çıktı. Ocak 1958'de kamuoyuna duyurulmasından sadece birkaç ay sonra, bu iddiaların nötronlar plazma kütlesindeki yeni dengesizlikler tarafından yaratıldı. Daha ileri çalışmalar, bu tür herhangi bir tasarımın benzer sorunlarla karşılaşacağını gösterdi ve z-pinch yaklaşımını kullanan araştırmalar büyük ölçüde sona erdi.

Yıldızlar

Manyetik bir hapsetme sistemi kurmaya yönelik erken bir girişim, yıldızcı, tarafından tanıtıldı Lyman Spitzer 1951'de. Esasen stellaratör, ikiye kesilmiş ve daha sonra bir şekil-8 oluşturmak için düz "çapraz" bölümlerle tekrar birbirine bağlanmış bir simitten oluşur. Bu, aygıtın yörüngesinde dolaşırken çekirdeklerin içten dışa doğru yayılması etkisine sahiptir, böylece en azından çekirdek yeterince hızlı yörüngede ise, eksen boyunca kaymayı iptal eder.

En eski şekil-8 makinelerinin yapımından kısa bir süre sonra, aynı etkinin, her iki tarafa da ikinci bir sarmal olarak sarılmış mıknatıs seti eklenerek tamamen dairesel bir düzenlemede elde edilebileceği fark edildi. Bu düzenleme, plazmaya yalnızca kısmen uzanan bir alan oluşturdu ve bu, plazmadaki türbülansı bastıran "kesme" eklemenin önemli avantajına sahip olduğunu kanıtladı. Bununla birlikte, bu model üzerine daha büyük cihazlar inşa edildiğinden, plazmanın sistemden beklenenden çok daha hızlı, değiştirilebileceğinden çok daha hızlı bir şekilde kaçtığı görüldü.

1960'ların ortalarında, yıldızcı yaklaşımın bir çıkmaz olduğu ortaya çıktı. Yakıt kaybı sorunlarına ek olarak, bu sisteme dayalı güç üreten bir makinenin devasa, daha iyi kısmı bin fit uzunluğunda olacağı da hesaplandı. Tokamak 1968'de piyasaya sürüldüğünde, stellatöre olan ilgi ortadan kalktı ve son tasarım Princeton Üniversitesi Model C, sonunda Simetrik Tokamak.

Stellaratorlar, milenyumun başlangıcından bu yana tokamak'ta sonradan bulunan birkaç sorundan kaçındıklarından, ilginin yeniden arttığını gördüler. Daha yeni modeller üretildi, ancak bunlar en son tokamak tasarımlarının yaklaşık iki nesil gerisinde kalıyor.

Tokamaks

Tokamak manyetik alanları.

1950'lerin sonlarında, Sovyet araştırmacıları, yoldaki bükülmelerin odanın iç çevresinde bir parçacığın odanın uzunluğundan daha hızlı hareket etmesini sağlayacak kadar güçlü olması durumunda bükülme kararsızlığının güçlü bir şekilde bastırılacağını fark ettiler. Bu, sıkıştırma akımının azaltılmasını ve harici dengeleyici mıknatısların çok daha güçlü hale getirilmesini gerektirecektir.

1968'de Rusça toroidal üzerinde araştırma Tokamak manyetik olsun ya da olmasın, mevcut çabaları rakip tasarımlardan çok geride bırakan sonuçlarla ilk kez halka sunuldu. O zamandan beri, manyetik hapsetmedeki çabaların çoğu tokamak ilkesine dayanıyor. Tokamak'ta bir akım periyodik olarak plazmanın kendisinden geçirilir ve toroidal alanla birleşerek, modern bir yıldızcınınkine benzer bazı şekillerde bir sargı alanı oluşturmak için torusun "etrafında" bir alan yaratır, en azından bu çekirdeklerden etrafından akarken cihazın içinden dışarıya.

1991 yılında BAŞLAT inşa edildi Culham, İngiltere, ilk amaca yönelik olarak küresel tokamak. Bu aslında bir Spheromak yerleştirilmiş bir merkezi çubuk ile. START, yaklaşık% 40 β değeriyle etkileyici sonuçlar üretti - o sırada standart tokamaks tarafından üretilenin üç katı. Konsept, deneylerle daha yüksek plazma akımlarına ve daha büyük boyutlara yükseltildi NSTX (BİZE), MAST (İngiltere) ve Globus-M (Rusya) şu anda çalışıyor. Küresel tokamaks, geleneksel tokamaklara kıyasla gelişmiş stabilite özelliklerine sahiptir ve bu nedenle alan, önemli deneysel ilgi görmektedir. Bununla birlikte, bugüne kadar küresel tokamaks düşük toroidal alanda olmuştur ve bu nedenle füzyon nötron cihazları için pratik değildir.

Kompakt toroidler

Kompakt toroidler, ör. Spheromak ve Ters Alan Yapılandırması kapalı manyetik yüzey konfigürasyonlarının iyi bir şekilde sınırlandırılmasını, merkezi çekirdeği olmayan makinelerin basitliği ile birleştirmeye çalışın. Bu türden erken bir deney^{[şüpheli – tartışmak]} 1970'lerde Trisops. (Trisops, iki teta-kıstırma halkasını birbirine doğru ateşledi.)

Diğer

Toroidal makinelerde üretilen bazı daha yeni konfigürasyonlar, ters alan tutam ve Levitated Dipol Deneyi.

ABD Donanması ayrıca, 2018 ABD patent başvurusunda TW güç seviyelerine sahip bir "Plazma Sıkıştırma Füzyon Cihazı" talep etti:

"Mevcut buluşun bir özelliği, gigawatt ila terawatt aralığında (ve daha yüksek) güç üretebilen, giriş gücü kilowatt ila megawatt aralığında olan bir plazma sıkıştırma füzyon cihazı sağlamaktır."^[2]

Manyetik füzyon enerjisi

Bu cihazların tümü, ölçeklendirilmekte ve Lawson kriteri. Bir araştırmacı, manyetik hapsetme problemini bir balonu sıkıştırmaya benzeterek basit terimlerle tanımladı - hava her zaman başka bir yerde "dışarı çıkmaya" çalışacaktır. Plazmadaki türbülansın, plazmanın hapsetme alanından kaçmasına ve potansiyel olarak kabın duvarlarına temas etmesine neden olan büyük bir sorun olduğu kanıtlanmıştır. Böyle bir durumda, "püskürtme", kaptaki yüksek kütleli parçacıklar (genellikle çelik ve diğer metaller) füzyon yakıtına karıştırılarak sıcaklığını düşürür.

1997'de, Ortak Avrupa Torusu İngiltere'deki (JET) tesisleri 16 megavat füzyon gücü üretti. Bilim adamları artık plazma üzerinde bir kontrol ölçüsü uygulayabilir türbülans ve uzun süredir plazmaların kaçınılmaz ve inatçı bir özelliği olarak kabul edilen sonuçta ortaya çıkan enerji sızıntısı. Plazmanın üzerinde parçalandığı plazma basıncının artık bir enerji santrali için kabul edilebilir bir füzyon reaksiyon hızını sürdürmek için yeterince büyük hale getirilebileceği konusunda artan bir iyimserlik var.^[3] Elektromanyetik dalgalar, plazma parçacıklarının yollarını manipüle etmek ve ardından plazmayı sınırlamak için manyetik alanları üretmek için gerekli olan büyük elektrik akımlarını üretmek için enjekte edilebilir ve yönlendirilebilir.^{[kaynak belirtilmeli ]} Bunlar ve diğer kontrol yetenekleri, plazma türbülansı, plazma makroskopik stabilite ve plazma dalgası yayılımı gibi alanlarda plazma biliminin temel anlayışındaki gelişmelerden kaynaklanmaktadır. Bu ilerlemenin çoğu, özellikle Tokamak.

Ayrıca bakınız

Referanslar

^ ^a ^b Mutlu Nöron (2019-12-18). "Nükleer Füzyon Şebekeyi Yakında Güçlendirebilir". Orta. Alındı 2019-12-22.
^ https://patents.google.com/patent/US20190295733A1/en
^ ITER Fizik Temel Editörleri (1999). "Bölüm 6: Plazma yardımcı ısıtma ve akım sürücüsü". Nucl. Füzyon. Enerjik Parçacıklar, Isıtma ve Akım Sürücüsü üzerine ITER Fizik Uzman Grubu. 39: 2495.

Dış bağlantılar

[:0-1] Mutlu Nöron (2019-12-18). "Nükleer Füzyon Şebekeyi Yakında Güçlendirebilir". Orta. Alındı 2019-12-22.

[2] ttps://patents.google.com/patent/US20190295733A1/en

[3] ITER Fizik Temel Editörleri (1999). "Bölüm 6: Plazma yardımcı ısıtma ve akım sürücüsü". Nucl. Füzyon. Enerjik Parçacıklar, Isıtma ve Akım Sürücüsü üzerine ITER Fizik Uzman Grubu. 39: 2495.

[1]

[2]

[3]