Fusion technologies: Аквапринт в Москве — Fusion Technologies продажа пленки и оборудования, обучение технологии

Содержание

Хромирование в Москве, покрытие хромом, химическая металлизация

Технология хром

Химическая металлизация – это технология нанесения на любые твердые поверхности и предметы покрытия "хром", "зеркало" и "золото" при помощью процесса химического хромирования. С помощью установки для Хим металлизации и реактивов вы можете хромировать пластик, металл, стекло, керамику и прочее, получая металлическое покрытие с отличными эксплуатационными качествами. Декоративное покрытие хромом является абсолютно устойчивым и не боится воздействия внешних факторов (солнце, вибрация, кёрхер, воздух высокого давления, не отлетает при порезах). Низкая себестоимость расходных материалов и доступность обучения технологии позволяет любому желающему пройти обучающие курсы, приобрести оборудование и научится самостоятельной работе, запуску собственного бизнеса. Так как на сегодняшний день высокая востребованность услуги металлизации обусловлена огромными возможностями технологии и ее широкой популярностью у населения! Предлагаем и Вам ознакомится с этим увлекательным процессом!

Подробнее >

Хромирование.

Металлизация

Отзывы покупателей

Приобрел установка для химической металлизации и реагенты для хромирования. Все в качестве, спасибо! Порадовала надежная упаковка и бесплатная доставка. Как только сдам свои заказы, закажу у Вас еще химию. Чувствую, мало взял!)
— Дмитрий Николаев

Прошел обучение в Фьюжн Технолождис в этом году. Уже запустился и начал работать! Выдумывать особо ничего не стал, все сделал как по бизнес-плану. А начинающим совет, если не получается что-то, не трате время, а сразу звоните в тех-поддержку, ребята помогут! Всем удачи!
— Ринат Габулов

Спасибо Фьюжн Текнолоджис за качественную работу по хромированию моего мотоцикла. Старый-добрый ИЖ теперь и не узнать. А Хром светится за километр! Теперь вот мою своего железного коня каждый день!
— Сергей Прохоров

Fusion Technologies — автосервис — Самара, проспект Карла Маркса, 412б

Схема проезда:

автосервис «Fusion Technologies», расположенный по адресу «Самара, проспект Карла Маркса, 412б»

Для полноценной работы с АвтоТочками ваш браузер должен поддерживать JavaScript. Включите его в настройках.

Найти другие автосервисы на карте

Также по адресу «Самара, проспект Карла Маркса, 412б»

  1. Магазин автозапчастей «Автокрепеж»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412б
  2. Магазин автозапчастей «СтоАвто»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  3. Автосервис «PMR Service»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  4. Магазин автозапчастей «Автоэлектроника 63»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  5. Автосалон «Атис»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412б
  6. Автомойка «СтоАвто»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  7. Автосервис «СтоАвто»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  8. Шиномонтаж «СтоАвто»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  9. Автосервис «Автоэлектроника 63»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б

Ближайшие автосервисы

  1. Автосервис «Арт-Гараж»
    Самара, улица Мирная, 162
  2. Автосервис «NIKAuto»
    Самара, Мирная улица, 3к2
  3. Автосервис «PMR Service»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  4. Автосервис «АвтоКорея»
    Самара, Мирная улица, 3к2
  5. Автосервис «БарСauto»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412А

Другие точки в пределах 5 минут езды

  1. Магазин автозапчастей «Dop63 - Сигнализации в Самаре»
    Самара, улица Стара Загора, 168
  2. Магазин автозапчастей «СтоАвто»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412Б
  3. Автомойка «Континент»
    Самара, Мирная улица, 162к1
  4. Магазин автозапчастей «Автокрепеж»
    Самара, проспект Карла Маркса, 412б
  5. Магазин автозапчастей «АвтоКорея»
    Самара, Мирная улица, 3к2

Другие автосервисы

Полезно? Расскажите друзьям!

Fusion Technologies — автосервис — Самара, Ташкентская улица, 169

Схема проезда: автосервис «Fusion Technologies», расположенный по адресу «Самара, Ташкентская улица, 169»

Для полноценной работы с АвтоТочками ваш браузер должен поддерживать JavaScript. Включите его в настройках.

Найти другие автосервисы на карте

Также по адресу «Самара, Ташкентская улица, 169»

  1. Магазин автозапчастей «На Ташкентской»
    Самара, улица Ташкентская, 169Б
  2. Автосервис «На Ташкентской»
    Самара, улица Ташкентская, 169Б
  3. Автошкола «Самарский учебно-методический центр автомобильного транспорта»
    Самара, Ташкентская улица, 169
  4. Шиномонтаж «На Ташкентской»
    Самара, улица Ташкентская, 169Б

Ближайшие автосервисы

  1. Автосервис «Ремонт ходовой (подвески) и рулевых реек»
    Самара, Ташкентская улица, 175а
  2. Автосервис «ya7auto»
    Самара, Московское шоссе, 16-й километр, 1Ас4
  3. Автосервис «На Ташкентской»
    Самара, улица Ташкентская, 169Б
  4. Автосервис «Твой Автосервис»
    Самара, Ташкентская улица, 175А
  5. Автосервис «Rover Land Самара. Ремонт и обслуживание иномарок.»
    Самара, Демократическая улица, 45Л

Другие точки в пределах 5 минут езды

  1. Магазин автозапчастей «Запчасти для иномарок в Самаре»
    Самара, Молодёжная улица, 4А
  2. Магазин автозапчастей «На Ташкентской»
    Самара, улица Ташкентская, 169Б
  3. Магазин автозапчастей «РеМарк-Авто»
    Самара, Демократическая улица, 45Ак2
  4. Магазин автозапчастей «Запчасти и цены (для Volkswagen, Skoda, Audi)»
    Самара, Молодежная улица, 6Б
  5. Магазин автозапчастей «Mparts (ЭмПартс)»
    Самара, Московское шоссе, 16-й километр, 1Вс1

Другие автосервисы

Полезно? Расскажите друзьям!

Разработка сайта Fusion Technologies | Портфолио

Разработка сайта Fusion Technologies | Портфолио

Разработка интернет-магазина "Fusion Technologies"

Кейс

Клиент: Компания «Fusion Technologies»

Сайт: fusiontech. ru

Тематика: Продажа оборудования для иммерсионной печати

Описание проекта

Fusion Technologies - лидер в отрасли иммерсионной печати. Компания продает оборудование, оказывает услуги по аквапечати, а также проводит обучение в своих специализированных классах.

Мы собрали для них новую версию сайта, настроили и отладили интернет-магазин, а также внедрили ряд полезных доработок.

Современный интернет-магазин

Поиск, фильтр и сравнение товаров, адаптивный дизайн - весь набор функционала современного магазина поможет быстро определиться с выбором.

Адаптивный дизайн

Проделанные работы

  • Сборка сайта на системе управления «1С Битрикс»
  • Программирование функционала
  • Подключение и настройка системы оплаты
  • Разработка адаптивной версии сайта

Текущие работы

  • Техническая поддержка
  • SEO-продвижение и контекстная реклама
array(6) {
  ["NAME"]=>
  string(12) "Москва"
  ["PHONE"]=>
  string(20) "+7 (499) 400–08-68"
  ["ADDRESS"]=>
  string(48) "г.  Москва, Варшавское ш., 28А"
  ["WORKING_HOURS"]=>
  string(28) "Пн-Пт c 10:00 до 19:00"
  ["MAP"]=>
  string(31) "55.749932203978,37.617340698242"
  ["EMAIL"]=>
  string(16) "[email protected]"
}

Безопасность | Стеклянная дверь

Мы получаем подозрительную активность от вас или кого-то, кто пользуется вашей интернет-сетью. Подождите, пока мы подтвердим, что вы настоящий человек. Ваш контент появится в ближайшее время. Если вы продолжаете видеть это сообщение, напишите нам чтобы сообщить нам, что у вас возникли проблемы.

Nous aider à garder Glassdoor sécurisée

Nous avons reçu des activités suspectes venant de quelqu’un utilisant votre réseau internet. Подвеска Veuillez Patient que nous vérifions que vous êtes une vraie personne.Вотре содержание apparaîtra bientôt. Si vous continuez à voir ce message, veuillez envoyer un электронная почта à pour nous informer du désagrément.

Unterstützen Sie uns beim Schutz von Glassdoor

Wir haben einige verdächtige Aktivitäten von Ihnen oder von jemandem, der in ihrem Интернет-Netzwerk angemeldet ist, festgestellt. Bitte warten Sie, während wir überprüfen, ob Sie ein Mensch und kein Bot sind. Ihr Inhalt wird в Kürze angezeigt. Wenn Sie weiterhin diese Meldung erhalten, informieren Sie uns darüber bitte по электронной почте: .

We hebben verdachte activiteiten waargenomen op Glassdoor van iemand of iemand die uw internet netwerk deelt. Een momentje geduld totdat, мы узнали, что u daadwerkelijk een persoon bent. Uw bijdrage zal spoedig te zien zijn. Als u deze melding blijft zien, электронная почта: om ons te laten weten dat uw проблема zich nog steeds voordoet.

Hemos estado detectando actividad sospechosa tuya o de alguien con quien compare tu red de Internet. Эспера mientras verificamos que eres una persona real.Tu contenido se mostrará en breve. Si Continúas recibiendo este mensaje, envía un correo electrónico a para informarnos de que tienes problemas.

Hemos estado percibiendo actividad sospechosa de ti o de alguien con quien compare tu red de Internet. Эспера mientras verificamos que eres una persona real. Tu contenido se mostrará en breve. Si Continúas recibiendo este mensaje, envía un correo electrónico a para hacernos saber que estás teniendo problemas.

Temos Recebido algumas atividades suspeitas de voiceê ou de alguém que esteja usando a mesma rede.Aguarde enquanto confirmamos que Você é Uma Pessoa de Verdade. Сеу контексто апаресера эм бреве. Caso продолжить Recebendo esta mensagem, envie um email para пункт нет informar sobre o проблема.

Abbiamo notato alcune attività sospette da parte tua o di una persona che condivide la tua rete Internet. Attendi mentre verifichiamo Che sei una persona reale. Il tuo contenuto verrà visualizzato a breve. Secontini visualizzare questo messaggio, invia un'e-mail all'indirizzo per informarci del проблема.

Пожалуйста, включите куки и перезагрузите страницу.

Это автоматический процесс. Ваш браузер в ближайшее время перенаправит вас на запрошенный контент.

Подождите до 5 секунд…

Перенаправление…

Заводское обозначение: CF-102 / 665adc4f3fe775ab.

Fusion Energy приходит, и, возможно, раньше, чем вы думаете

Про термоядерную энергию шутят, что до нее еще 30 лет, и так будет всегда.Но значительные недавние достижения в области термоядерной науки и технологии потенциально могут ввести в сеть первую термоядерную энергию уже в 2040-х годах.

Когда в 1920-х годах британский физик Артур Стэнли Эддингтон впервые предположил, что Солнце и звезды получают энергию за счет синтеза водорода в гелий, его идея вызвала бурю исследований и предположений о возможности доставки этого источника энергии на Землю. Это было незадолго до того, как журналисты и авторы криминального чтива предсказывали время, несомненно, недалеко, когда мир будет питаться от простых термоядерных реакторов, для которых не потребуется ничего, кроме большого количества водорода из воды.

Очевидно, эти ранние прогнозы были более чем немного неверными. О физике термоядерной энергии известно гораздо больше, чем во времена Эддингтона, но коммерческое производство электроэнергии из термоядерного синтеза все еще остается целью, а не реальностью. Десятилетия чрезмерно восторженных прогнозов привели к давней шутке о том, что термоядерный синтез является источником энергии будущего - и так будет всегда.

1. Проект ИТЭР, показанный во время строительства в феврале 2020 года, будет первым экспериментом по созданию «горящей» или самоподдерживающейся термоядерной плазмы.На этой фотографии показано частично завершенное здание, в котором будет размещаться токамак Fusion и его вспомогательные системы. Предоставлено: ITER

.

Практического и экономичного производства с помощью термоядерного синтеза еще нет, и можно сделать твердую ставку на то, что он не появится в энергосистеме до 2030-х годов. Однако эта реальность намного ближе, чем многие думают. В результате десятилетий научного прогресса США и других стран получены ответы на большинство ключевых вопросов физики, лежащих в основе синтеза.Между тем, первый реактор, который должен достичь «горения», то есть самоподдерживающегося термоядерного синтеза, в настоящее время строится во Франции, и его эксплуатация должна начаться в ближайшие несколько лет (рис. 1).

Хотя для специалистов по планированию коммунальных ресурсов может быть преждевременным начинать подготовку к использованию электроэнергии из термоядерного синтеза, время приближается, когда это станет вариантом наряду с другими крупными проектами генерации. Соответственно, профессионалы в области энергетики могут извлечь выгоду из четкого понимания текущего ландшафта термоядерного синтеза и того, что, вероятно, будет развиваться в следующем десятилетии.

Основы Fusion

Синтез - это ядерная реакция, в которой два или более атомных ядра объединяются с образованием одного или нескольких различных атомных ядер, а также часто субатомных частиц. Слияние легких элементов высвобождает энергию из-за взаимодействия двух противоположных сил: «сильной» ядерной силы, которая удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре, и кулоновской силы, которая заставляет положительно заряженные протоны отталкиваться друг от друга.

На очень малых расстояниях ядра атома сильная сила преодолевает кулоновское отталкивание и связывает протоны и нейтроны вместе.Когда маленькие ядра сливаются вместе, это увеличивает сильную связь ядер, высвобождая энергию в виде излучения и / или испускания субатомных частиц. (Более крупные ядра - те, что выше железа - не выделяют энергию при слиянии, поскольку большее количество протонов увеличивает кулоновское отталкивание.)

Эти ядерные связывающие силы намного сильнее, чем силы, удерживающие электроны на орбите вокруг ядра и влияющие на энергию химических процессов. Вот почему термоядерное топливо предлагает гораздо более высокую плотность энергии, чем химические методы - примерно в миллион раз плотнее, чем ископаемое топливо.

Возможны различные реакции синтеза. Протонно-протонный синтез - это процесс, который приводит в действие такие звезды, как наше Солнце. Эта реакция, вызванная гравитацией, требует огромных плотностей и занимает около миллиарда лет. Таким образом, это не то, что было бы практично для производства энергии на Земле. Вместо этого в земных экспериментах по магнитному синтезу используются более низкие плотности, но гораздо более высокие температуры, около 100 миллионов градусов по Цельсию. Когда ядра удерживаются при этих температурах, ядра могут сталкиваться с достаточной скоростью, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание и слиться друг с другом.

2. Реакция дейтерия и трития, по мнению большинства ученых, является наиболее перспективной для получения энергии термоядерного синтеза. Когда ядро ​​дейтерия (2H) и ядро ​​трития (3H) объединяются, в результате получается ядро ​​гелия и очень энергичный нейтрон. При определенных обстоятельствах выделяемой энергии достаточно, чтобы вызвать дальнейшие реакции синтеза. Источник: Creative Commons / Wykis

Реакция дейтерия и трития (DT, рис. 2) является наиболее полезной для получения энергии термоядерного синтеза, поскольку она наиболее легко преодолевает кулоновское отталкивание и имеет самое высокое выделение энергии среди возможных в лабораторных условиях реакций.Однако проблемы, связанные с обращением с радиоактивным тритием и обработкой большого количества производимой энергии и продуктов термоядерного синтеза, означают, что большинство современных термоядерных экспериментов изучают синтез дейтерия с дейтерием (который имеет более низкую скорость реакции термоядерного синтеза), а затем экстраполируют результаты на DT. .

Синтез

DT производит нейтрон с чрезвычайно высокой энергией (14,1 МэВ), который потенциально полезен для воспроизводства большего количества трития, но также создает проблемы для окружающих материалов в токамаке (подробнее об обоих из них ниже).В результате реакции также образуется ядро ​​гелия, которое уносит около одной пятой энергии реакции (3,5 МэВ). В термоядерном реакторе это ядро ​​делится своей энергией с окружающими ионами, сохраняя их горячими и поддерживая процесс термоядерного синтеза.

Первая реакция DT была получена в 1932 году в Кембриджском университете австралийским физиком Марком Олифантом. Несмотря на то, что существует ряд методов, с помощью которых можно вызвать термоядерный синтез, согласованные исследования в области практической термоядерной энергии остановились на магнитном удержании как наиболее перспективном для производства электроэнергии.В этом методе магнитные поля используются для удержания газообразного водорода, который нагревается до тех пор, пока электроны не отделятся от своих ядер, образуя плазму - ионизированный «суп» из заряженных частиц.

В большинстве исследований термоядерного синтеза используется устройство магнитного удержания, известное как токамак. Токамак, впервые разработанный российскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом в 1950-х годах, представляет собой тороидальный (то есть в форме тора или пончика) вакуумный сосуд, в котором используются мощные электромагниты для удержания и формирования плазмы. (Слово токамак - это русское сокращение от «тороидальная машина удержания».)

3. Токамак состоит из вакуумной камеры, окруженной массивом электромагнитных катушек, которые работают вместе, чтобы удерживать плазму внутри сильных магнитных полей (слева). Национальный термоядерный комплекс DIII-D (интерьер показан справа) в Сан-Диего - крупнейший действующий токамак в США. Предоставлено: General Atomics

.

Для создания и поддержания ограничивающих магнитных полей в токамаке требуется три набора магнитов (рис. 3).Внешние катушки вокруг кольца токамака создают тороидальное магнитное поле, параллельное окружности тора. Центральный соленоид использует мощный импульс энергии, который генерирует тороидальный ток в плазме. Движение ионов с этим током, в свою очередь, создает второе полоидальное (параллельное полюсам) магнитное поле. Наконец, полоидальные катушки по окружности тора используются для управления положением и формой плазмы.

Вместо единого магнитного поля, расположение приводит к массиву вложенных потоковых поверхностей, которые удерживают ионизированные частицы на различных орбитах внутри и вокруг токамака.Поскольку частицы в плазме связаны с магнитными полями, эта структура поля удерживает самые горячие части плазмы от стенок, создавая изолирующий эффект, позволяющий достичь очень высоких температур.

Индуцированный плазменный ток обеспечивает критический элемент магнитного удержания, а также определенный нагрев, но одного этого недостаточно для индукции термоядерного синтеза. Дополнительный нагрев обычно обеспечивается микроволнами и пучками частиц.

Сейчас в мире действует несколько десятков токамаков.Первым, кто продемонстрировал термоядерный синтез в значительных масштабах (10 МВт), было устройство Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) в Принстонской лаборатории физики плазмы, хотя с тех пор оно было остановлено. Самым крупным существующим устройством является Joint European Torus (JET) в Великобритании, радиус которого составляет около 3 метров (м), а мощность термоядерного синтеза составляет 16 МВт. Аналогичное устройство в Японии модернизируется для изучения технологий для будущих установок и поддержания плазмы. Меньшие по размеру устройства, такие как Национальный центр термоядерного синтеза DIII-D, который управляется для Министерства энергетики компанией General Atomics в Сан-Диего, используются для изучения физики будущих установок и разработки методов повышения эффективности термоядерного синтеза.

В некоторых исследованиях термоядерного синтеза используется устройство, подобное токамаку, известное как стелларатор. Вместо того, чтобы иметь большой плазменный ток, стелларатор использует скрученный массив спиральных обмоток вокруг тора для создания внешнего полоидального поля. В результате ему не нужно генерировать плазменный ток, а это означает, что он способен работать в установившемся режиме, а не требует импульса энергии от центрального соленоида. Однако стеллараторы имеют более сложную геометрию и их сложнее построить из-за наличия дополнительных обмоток.Считается, что этот подход является многообещающим, и хотя в прошлом стеллараторы сталкивались с большим количеством проблем с удержанием плазмы, чем с токамаками, технология продолжает привлекать внимание исследователей. Wendelstein 7-X, усовершенствованный стелларатор, который был запущен в эксплуатацию в Германии в 2015 году (также самый крупный на данный момент), изучает, насколько хорошо стеллараторы могут удерживать энергию и достигать условий термоядерного синтеза.

Ни одно современное устройство не могло генерировать больше энергии термоядерного синтеза, чем энергия нагрева, необходимая для начала реакции.Ученые измеряют эту оценку величиной, известной как усиление термоядерного синтеза (обозначается символом Q), которое представляет собой отношение мощности термоядерного синтеза к входной мощности, необходимой для поддержания реакции. Q = 1 представляет точку безубыточности, но из-за тепловых потерь горящая плазма не достигается примерно до Q = 5. Текущие токамаки достигли Q = 0,6 с реакциями DT. Для того чтобы термоядерные электростанции были экономичными, необходимо достичь значений Q значительно выше 10.

Текущая деятельность и проблемы

Многие потенциальные преимущества термоядерного синтеза как источника энергии являются причиной того, что он долгое время считался идеальным методом получения энергии. Топливо - изотопы водорода - легко доступно, а единственным побочным продуктом является гелий. Подобно газовой, угольной или ядерной установке, термоядерная установка может работать круглосуточно, но без вредных выбросов или долгоживущих радиоизотопов. Риск несчастных случаев с термоядерной установкой очень ограничен - если защитная оболочка потеряна, реакция термоядерного синтеза просто прекращается. Хотя термоядерный синтез небезопасен, никакие взрывы или широкомасштабные выбросы энергии невозможны.

Приступить к практической генерации было ключевой задачей.После более чем 60 лет исследований в области термоядерного синтеза с магнитным удержанием, большинство оставшихся препятствий на пути к термоядерной энергии являются скорее инженерными, чем научными, хотя все еще остаются важные вопросы физики, которые исследуются.

Удержание плазмы. Сдерживание термоядерной плазмы внутри магнитного поля похоже на сжатие воды внутри воздушного шара. Различия в давлении, температуре и плотности могут вызвать раздутие полей или возникновение утечки.

Исследователи смогли удерживать термоядерную плазму достаточно долго, чтобы вызвать термоядерные реакции в течение многих лет.Однако качество удержания плазмы, определяемое как время, необходимое для потери энергии стенками резервуара, является ключевым элементом экономической эффективности гипотетической термоядерной электростанции. Это время удержания должно быть достаточно продолжительным, чтобы позволить достаточной энергии плазмы циркулировать в ограниченной области, чтобы удерживаемые ионы оставались достаточно горячими для поддержания соответствующего уровня термоядерного синтеза. В современных устройствах время удержания составляет около 0,3 секунды; Для термоядерных электростанций, вероятно, потребуется время в несколько секунд, уровней, которых они теоретически должны достичь с их большими размерами и более сильными магнитными полями.

Недавние исследования определили качество локализации как наиболее важный фактор для снижения капитальных затрат, потому что он имеет прямое влияние на необходимый размер токамака, а также на другие критические элементы установки, такие как обработка тепла и частиц. Необходимы дальнейшие исследования для разработки решений по локализации более высокого качества, которые позволили бы снизить эти затраты.

Хотя высокотемпературные сверхпроводящие материалы, которые могут генерировать гораздо более сильные магнитные поля, вызвали некоторое волнение в сообществе термоядерных ядер, еще не известно, насколько хорошо они будут работать, и исследования показали, что выбор магнитной технологии может иметь относительно небольшое влияние на рентабельность.

Материалы токамака. Нейтронное излучение, производимое DT-синтезом, на порядок более энергично, чем излучение ядерного деления. Кроме того, гелий, образующийся в результате реакции, а также избыточное тепло и другие примеси в плазме должны постоянно удаляться во время работы. Этот выхлопной тракт будет подвергаться экстремально высоким температурам и бомбардировке частицами. В настоящее время не существует материалов, на которые можно было бы с уверенностью положиться, чтобы выжить в этих условиях в течение срока службы коммерческой электростанции.Их разработка является активной областью исследований, в рамках которой исследуются новые сплавы, лучшие материалы и даже жидкие поверхности и возможные решения. Необходимо лучшее понимание того, как эти материалы ведут себя в среде реактора и их взаимодействия с характеристиками термоядерного синтеза.

Разведение трития. Дейтерий относительно богат в природе, и достаточное количество его можно извлечь из морской воды. Однако тритий является радиоактивным изотопом с периодом полураспада всего 12.3 года. Хотя он существует естественным образом, его слишком редко можно извлечь из природных источников, и его необходимо производить в пригодных для использования количествах. Современные методы основаны на извлечении из теплоносителя в тяжеловодных реакторах или бомбардировке литиевых мишеней в легководных реакторах.

Ожидается, что для одной термоядерной электростанции мощностью 500 МВт потребуется около 50 килограммов (кг) тритиевого топлива в год. Это количество не только намного превышает текущие мировые производственные мощности (которые составляют примерно 2–3 кг / год от стареющих мощностей на реакторах CANDU в Канаде и Южной Корее), но также представляет собой фактор стоимости, который может достигать миллиардов долларов.Таким образом, термоядерным электростанциям потребуется способ воспроизводства трития на месте. К счастью, сама реакция синтеза предлагает потенциальные средства для этого.

Размещение литиевого бланкета вокруг токамака приведет к генерированию трития (и дополнительного тепла), поскольку нейтроны термоядерного синтеза захватываются ядрами лития и спонтанно переходят в тритий. Технологические решения по улавливанию этого трития во время эксплуатации находятся в стадии разработки.

Энергетика. Чтобы быть полезным в качестве электростанции, термоядерный реактор, очевидно, должен вырабатывать электричество.Исследователи термоядерного синтеза обычно предполагают, что тепло от токамака будет использоваться для привода турбинных генераторов, но то, как именно будет функционировать отвод тепла, по-прежнему является вопросом, требующим значительных усилий. Хотя в некотором смысле это самая обычная часть конструкции электростанции, технологические проблемы остаются значительными, поскольку для обеспечения высокого КПД устройство должно работать при высоких температурах. Большинство современных конструкций предусматривают гелиевый контур, который будет извлекать тепло из литиевого бланкета и либо приводить в действие турбину напрямую, либо генерировать пар во вторичном контуре.

ИТЭР

Ученые, работающие в области термоядерного синтеза, некоторое время назад осознали, что существующие токамаки просто недостаточно велики или мощны, чтобы достичь условий горящей плазмы. Чтобы решить проект электростанции, необходимы исследования в масштабе электростанции. Таким образом, долгосрочной целью было строительство объекта, который обладал бы необходимыми возможностями.

Проект ИТЭР родился в ноябре 1985 года, когда генеральный секретарь СССР Михаил Горбачев предложил президенту Рональду Рейгану международное сотрудничество в области термоядерной энергии.Первоначально это название было аббревиатурой от International Thermonuclear Energy Reactor, хотя с тех пор оно было отброшено в пользу другого представления, а именно, что iter в переводе с латыни означает «путь», а именно путь к термоядерной энергии.

Соглашение об ИТЭР было подписано в 1987 году США, Европейским союзом (ЕС), Японией и Советским Союзом (Россия взяла на себя роль члена СССР). Согласно соглашению, все участники имеют равный доступ к разработанной технологии, хотя каждый участник финансирует только часть стоимости.На США приходится около 9% финансирования ИТЭР, как наличными, так и натурой.

Хотя первоначальные работы начались в 1988 году, только в 2001 году был согласован технический проект. США вышли из ИТЭР в конце 1990-х годов, хотя они снова присоединятся к ИТЭР в 2003 году. Китай и Республика Корея также присоединились к ИТЭР в 2003 году, за ними последовала Индия в 2005 году. В результате коалиция распалась на семь групп, состоящих из 35 стран, что сделало ИТЭР крупнейшим. многонациональный научный проект по истории.

Текущее соглашение с ИТЭР было подписано в 2007 году, и место расположения установки было выбрано недалеко от Экс-ан-Прованса на юге Франции. Однако создание такого большого проекта с таким большим количеством участников было довольно сложным. Строительство продолжалось несколько лет довольно прерывисто и сильно отставало от графика. Задержки и перерасход бюджета вызвали обеспокоенность нескольких кругов, в частности комитетов по ассигнованиям Конгресса.

4.В феврале 2020 года вид с высоты птичьего полета над строящейся камерой токамака ИТЭР дает представление о впечатляющих масштабах устройства. После завершения токамак будет почти 13 метров в поперечнике. Предоставлено: ITER

.

В 2015 году Бернар Биго, бывший директор Комиссии по атомной энергии Франции, был привлечен к руководству проектом. Биго удалось создать профессиональную культуру проекта, и строительство завершено на две трети.Первые операции ИТЭР запланированы на 2025 год, а эксплуатация DT - на 2035 год (рисунок 4).

ITER будет обладать многими возможностями, которые выходят далеко за рамки существующих токамаков. Это будет первое устройство, которое может генерировать горящую плазму и исследовать основы того, как токамак содержит реакцию синтеза и процесс самонагревания. Используя DT-термоядерный синтез, ИТЭР будет производить 500 МВт термоядерной мощности при значении Q 10 - побив текущий мировой рекорд в 16 МВт при значении Q 0,67, который был достигнут на JET в 1997 году.

5. На этом частичном изображении установки ИТЭР показан токамак в центре с моделированием термоядерной плазмы внутри токамака. Все устройство имеет высоту около пяти этажей. Предоставлено: ITER

.

ИТЭР будет безусловно самым большим токамаком с самым высоким магнитным полем в мире, и он будет питаться от центрального соленоида, который будет самым мощным импульсным сверхпроводящим магнитом из когда-либо созданных (рис. 5).Изготовленный из 36 км сверхпроводящего кабеля, этот 1000-тонный магнит будет пропускать 15 миллионов ампер тока через плазму, что намного больше, чем все, что было возможно раньше. США поставляют центральный соленоид ИТЭР, который в настоящее время производит General Atomics. Первый из шести модулей, которые будут составлять центральный соленоид, завершил испытания и будет отправлен во Францию ​​этим летом.

Кроме того, ИТЭР будет служить испытательным стендом для ряда критически важных технологий термоядерного синтеза, включая воспроизводство трития, контроль плазмы, расширенную диагностику и устранение сбоев.Хотя ИТЭР не будет работать как электростанция, он будет проверять функции безопасности, которые потребуются будущим термоядерным электростанциям.

Как первый в своем роде исследовательский и демонстрационный проект, ИТЭР, естественно, довольно дорог. Поскольку большая часть вкладов представляет собой компоненты в натуральной форме, произведенные в странах-членах в рамках различных подходов к государственному финансированию, точную сумму затрат ИТЭР невозможно определить. Однако приблизительная оценка, сделанная организацией ИТЭР в 2016 году, составила около 20 миллиардов долларов на момент начала работы DT в 2035 году.Какой бы большой ни казалась эта цифра, она распространяется на коалицию из 35 стран, каждая из которых будет использовать технологию, разрабатываемую ИТЭР.

Частные компании Fusion

Поскольку все эти компании являются частными, полная информация об их технологиях и финансировании недоступна, но, по оценкам, не менее 1 миллиарда долларов инвестиционного финансирования направлено на частное слияние. Ниже приводится краткое описание некоторых из этих работ.

6. Схема термоядерного устройства TAE Technologies с обратной конфигурацией поля (FRC). Предоставлено: TAE Technologies

.

TAE Technologies. TAE работает около 20 лет над подходом, известным как конфигурация с обратным полем (FRC). Технология TAE, вместо того чтобы полагаться на дейтерий-тритиевый синтез (DT), вместо этого стремится синтезировать водород и бор. Хотя это более трудная реакция для достижения - требующие температуры, по крайней мере, на порядок выше - она ​​имеет то преимущество, что не производит высокоэнергетических нейтронов, которые затрудняют DT-синтез.FRC - это метод магнитного удержания, формирующий тороидальную плазму, но без тороидального магнитного поля (рис. 6).

TAE базируется в Ирвине, Калифорния. Его публично объявленное финансирование составляет 700 миллионов долларов, среди известных инвесторов - Google.

Commonwealth Fusion Systems (CFS). CFS, дочерняя компания Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (MIT), придерживается довольно традиционного подхода к токамакам, но при этом использует достижения высоких технологий, которые появились слишком недавно, чтобы быть включенными в ИТЭР.Прежде всего, это использование сверхпроводника из редкоземельного бария-оксида меди (REBCO) (в ITER используется ниобий-олово). Есть надежда, что это позволит использовать меньшие, более эффективные и менее дорогие магниты. CFS продолжает сотрудничество с Массачусетским технологическим институтом для разработки проекта компактного высокопольного токамака под названием SPARC, который будет вырабатывать от 50 до 100 МВт термоядерной мощности при значении Q, равном 3. Вскоре планируется начать строительство SPARC. MIT - один из инвесторов CFS; другие включают несколько венчурных фондов.

General Fusion. Эта компания из Ванкувера, Британская Колумбия, реализует один из наиболее революционных подходов, который она называет синтезом намагниченной цели (MTS). В концепции MTS используется сфера, заполненная расплавленным свинцово-литиевым сплавом, который затем перекачивается для образования вихря. Импульс магнитно удерживаемого плазменного топлива вводится в вихрь, и набор поршней создает ударную волну в жидком металле, чтобы сжать плазму до условий термоядерного синтеза. Затем тепло жидкого металла будет улавливаться и использоваться для выработки электроэнергии.Компанию поддерживают генеральный директор Amazon Джефф Безос, Microsoft и венчурный капитал.

Токамак Энергия. Британская компания Tokamak Energy работает над термоядерным синтезом с магнитным удержанием, но использует токамак более сферической формы на основе концепции, разработанной в США и Великобритании. Это устройство, получившее название ST40, введено в эксплуатацию, и в настоящее время его исследования продолжаются. Tokamak Energy утверждает, что температура плазмы достигает 15 миллионов градусов Цельсия. Совсем недавно он привлек около 86 миллионов долларов в рамках раунда финансирования в январе 2020 года.

ИТЭР - не единственное предприятие, вызывающее ажиотаж в термоядерном сообществе. По крайней мере, дюжина частных начинающих компаний начали исследовать альтернативные подходы к термоядерной энергии за последнее десятилетие (см. Врезку). Некоторые из них работают над немного другими методами магнитного удержания, другие применяют по-настоящему инновационные - хотя и сопряженные с высоким риском - методы, которые могут привести к значительному прорыву. Все они ищут пути к синтезу, более простые и менее дорогие, чем ИТЭР.

Развитие термоядерного синтеза после ИТЭР

Что будет после ИТЭР? Детали еще предстоит определить, но ряд целей в поле зрения. Если все пойдет хорошо, технология ИТЭР должна позволить производить электроэнергию из термоядерного синтеза, и страны-члены не ждут до конца 2030-х годов, чтобы начать планирование. Несколько последующих устройств, которые будут иметь даже более высокую производительность, чем ИТЭР, находятся в разработке.

Коалиция ИТЭР назвала этот следующий этап этапом ДЕМО, и несколько концептуальных проектов ДЕМО-устройств находятся в разработке в ЕС, США.С., Корея и Китай. Ожидается, что устройства DEMO-стадии будут проще и дешевле, чем ITER, потому что они будут предназначены для выработки электроэнергии, а не для исследований, а также будут «постоянно включенными» устройствами, которые работают в устойчивом состоянии, а не исследуют различные режимы термоядерного синтеза. Из них Китай может быть ближе всего к операции.

7. Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза, показанный на оттиске этого художника, может начать работу в конце 2030-х годов.Предоставлено: Китайский институт физики плазмы

Известный как Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза (CFETR, рис. 7), это устройство находится на стадии проектирования и технологического прототипа. CFETR будет немного больше, чем ITER, с радиусом около 7 м. Его начальная фаза продемонстрирует работу термоядерного синтеза при мощности термоядерного синтеза около 200 МВт, но в конечном итоге он будет повышен до мощности термоядерного синтеза не менее 2 ГВт и чистой генерации 700 МВт. Формальное строительство устройства планируется начать в 2020-х годах, но строительство вспомогательных объектов и ключевых компонентов прототипа уже началось в одном месте в Хэфэе.

8. Оттиск художника показывает возможный план европейской термоядерной электростанции DEMO, которую можно было бы построить после ИТЭР. Предоставлено: EUROfusion

.

Устройство European DEMO также предназначено как демонстрационная электростанция с чистой выработкой от 300 МВт до 500 МВт (Рисунок 8). Путь к DEMO был изложен в дорожной карте, разработанной EUROfusion, организацией ЕС по слиянию, но место, начало строительства и другие детали еще предстоит определить.

В США были сделаны различные предложения по созданию более компактных и недорогих термоядерных реакторов с такими концепциями, как SPARC Массачусетского технологического института, электростанция сферического токамака Принстонской лаборатории физики плазмы и компактное усовершенствованное здание токамака General Atomics с элементами более высокого уровня. технология магнитного поля, усиленное формирование плазмы и работа с более высоким давлением плазмы для достижения более эффективной конфигурации в компактном масштабе.

До недавнего времени в U.С. был в основном сосредоточен на чистой науке о термоядерном синтезе. Финансирование инженерных проблем периодически осложнялось политическими проблемами, связанными как со стоимостью ИТЭР, так и с направлением энергетической политики страны. Тем не менее, Конгресс увеличил ассигнования на Управление термоядерной энергии (FES) Министерства энергетики на 44% с 2015 года до 671 миллиона долларов в 2020 финансовом году. Аналогичным образом было увеличено финансирование обязательств США по ИТЭР.

В отчете Национальной академии наук за 2019 год настоятельно рекомендуется, чтобы U.S. остается членом ITER, но также преследует цель создания компактной экспериментальной термоядерной установки, которая имела бы более высокую удельную мощность и более низкие капитальные затраты, чем более крупные конструкции DEMO. Эта станция, вероятно, будет иметь чистую выработку от 200 до 300 МВт. Предпочтение меньшего размера отражает экономические реалии производства электроэнергии в США и практическую необходимость сначала продвигать технологии с наименьшими затратами.

Консультативный комитет по наукам о термоядерной энергии Министерства энергетики США (FESAC) в настоящее время работает над отчетом, в котором будет рассмотрена возможность создания такой экспериментальной установки.Ожидается, что исследование будет завершено в конце этого года.

Fusion в сети

Когда мы увидим синтез как значимый элемент сочетания сил? При этом стоит помнить, что практическая генерация деления была впервые продемонстрирована в 1940-х годах, однако крупномасштабное коммерческое строительство атомных станций началось только в середине 1960-х годов. Некоторые из самых первых станций деления были связаны с государственно-частным партнерством между коммунальными предприятиями и Комиссией по атомной энергии. Первый U.Заводы S. fusion могут следовать аналогичной модели, если присваиватели Конгресса согласны финансировать их. Однако это говорит о том, что крупномасштабные коммерческие разработки в области термоядерной энергии не следует ожидать раньше 2050-х годов, примерно через 20 лет после того, как ИТЭР начнет операции по DT.

Пока не ясно, как Комиссия по ядерному регулированию (NRC) подойдет к созданию термоядерного синтеза. Многое из того, как будет построен и эксплуатируется термоядерный завод, не укладывается в существующие правила NRC, что признало сам NRC.Индустрия термоядерного синтеза начала взаимодействовать с NRC по вопросу о том, как будет выглядеть такой подход к регулированию, но официальное нормотворчество еще не началось, и вряд ли это произойдет до тех пор, пока технология термоядерных электростанций не станет значительно более ясной. Нормативно-правовую среду как на федеральном уровне, так и на уровне штатов необходимо будет адаптировать для слияния - процесса, который, вероятно, будет затянутым и станет предметом обширных судебных разбирательств.

Хотя в этой статье основное внимание уделяется научным и инженерным факторам, решающими факторами будут социальные и экономические.Термоядерные электростанции будут построены, когда инвесторы и комиссии по коммунальным предприятиям начнут рассматривать их как стоящие вложения. Трудно сказать, когда именно эта точка будет достигнута.

Вероятно, что электричество от первых термоядерных заводов будет дороже по сравнению с другими вариантами, хотя то же самое когда-то было верно в отношении крупномасштабной возобновляемой генерации. Генерация с помощью термоядерного синтеза, безусловно, требует экономии на масштабе, но рынок США отклоняется от очень крупных (в масштабе гигаватт) проектов генерации.Таким образом, предлагаемый подход к разработке компактной экспериментальной установки для термоядерного синтеза представляет собой стратегический способ разработки технологии перед ее расширением, как только инвестиционное сообщество приобретет уверенность в экономике более крупных заводов.

Еще одним важным фактором является общественное признание и степень, в которой термоядерный синтез должен будет бороться с представлениями и неправильными представлениями о реакторах ядерного деления. Понимание широкой публикой энергии синтеза довольно низкое, и часто путают расщепление и синтез.И сообщество термоядерного синтеза, и потенциальные владельцы заводов должны будут проявлять инициативу в обеспечении эффективного обмена информацией о технологии задолго до того, как начнется реальное строительство.

Стоит отметить, что вероятные временные рамки примерно совпадают с периодом, когда многие американские ядерные установки дойдут до конца своих лицензионных периодов, а также с целевой датой 2050 года для нулевых чистых выбросов углерода, что является предметом значительных внимание во всем мире. В таких условиях преимущества термоядерной энергии вполне могут быть экономически и социально значимыми.■

- Томас У. Овертон, JD - научный редактор General Atomics в Сан-Диего, Калифорния.

MIT и недавно созданная компания запускают новый подход к термоядерной энергии | MIT News

Прогресс в направлении долгожданной мечты о термоядерном синтезе - потенциально неисчерпаемом источнике энергии с нулевым выбросом углерода - может сделать резкий скачок вперед.

Разработка этого безуглеродного источника энергии без горения сейчас идет более быстрыми темпами, благодаря сотрудничеству между Массачусетским технологическим институтом и новой частной компанией Commonwealth Fusion Systems.CFS объединится с Массачусетским технологическим институтом для проведения быстрых поэтапных исследований, ведущих к новому поколению термоядерных экспериментов и электростанций, основанных на достижениях в области высокотемпературных сверхпроводников - работа, которая стала возможной благодаря десятилетиям финансирования фундаментальных исследований федеральным правительством.

CFS объявляет сегодня о привлечении инвестиций в размере 50 миллионов долларов в поддержку этих усилий от итальянской энергетической компании Eni. Кроме того, CFS продолжает искать поддержки у дополнительных инвесторов. CFS будет финансировать термоядерные исследования в Массачусетском технологическом институте в рамках этого сотрудничества с конечной целью быстрой коммерциализации термоядерной энергии и создания новой отрасли.

«Это важный исторический момент: достижения в области сверхпроводящих магнитов сделали термоядерную энергию потенциально доступной, открывая перспективу безопасного, безуглеродного энергетического будущего», - говорит президент Массачусетского технологического института Л. Рафаэль Райф. «Поскольку человечество сталкивается с растущими рисками нарушения климата, я очень рад, что Массачусетский технологический институт объединяется с промышленными союзниками, как давними, так и новыми, чтобы на полной скорости двигаться к этому преобразующему видению нашего общего будущего на Земле».

«Все согласны с конечным воздействием и коммерческим потенциалом термоядерной энергии, но тогда возникает вопрос: как вы этого добьетесь?» добавляет генеральный директор Commonwealth Fusion Systems Роберт Мумгаард SM ’15, PhD ’15.«Мы достигаем этого, используя уже развитую науку, сотрудничая с правильными партнерами и решая проблемы шаг за шагом».

Вице-президент Массачусетского технологического института по исследованиям Мария Зубер, написавшая статью о важности этой новости, которая появляется в сегодняшнем выпуске Boston Globe , отмечает, что сотрудничество Массачусетского технологического института с CFS потребовало согласованных усилий сотрудников и офисов Массачусетского технологического института, поддерживающих инновации: «Мы благодарны команде Массачусетского технологического института, которая неустанно работала над созданием этого сотрудничества.Лидерство младшего проректора Карен Глисон сыграло важную роль, равно как и креативность, усердие и забота со стороны Управления главного юрисконсульта, Управления спонсируемых программ, Управления лицензирования технологий и Энергетической инициативы Массачусетского технологического института. Всем отличная работа ».

Сверхпроводящие магниты - ключ к успеху.

Синтез - процесс, приводящий в действие Солнце и звезды, включает в себя легкие элементы, такие как водород, сталкиваются вместе с образованием более тяжелых элементов, таких как гелий, высвобождая при этом огромное количество энергии.Этот процесс производит чистую энергию только при экстремальных температурах в сотни миллионов градусов по Цельсию, слишком горячих для того, чтобы выдержать любые твердые материалы. Чтобы обойти это, исследователи термоядерного синтеза используют магнитные поля, чтобы удерживать горячую плазму - своего рода газовый суп из субатомных частиц - не давая ей вступить в контакт с любой частью камеры в форме пончика.

Новые усилия направлены на создание компактного устройства, способного генерировать 100 миллионов ватт или 100 мегаватт (МВт) термоядерной энергии.Это устройство, если все пойдет по плану, продемонстрирует ключевые технические достижения, необходимые для создания полномасштабного прототипа термоядерной электростанции, которая может направить мир на путь к низкоуглеродной энергии. В случае широкого распространения такие термоядерные электростанции могли бы удовлетворить значительную часть растущих мировых потребностей в энергии, резко сократив выбросы парниковых газов, которые вызывают глобальное изменение климата.

«Сегодня очень важный день для нас», - говорит генеральный директор Eni Клаудио Дескальци.«Благодаря этому соглашению Eni делает значительный шаг вперед в развитии альтернативных источников энергии с еще меньшим воздействием на окружающую среду. Термоядерный синтез - это истинный источник энергии будущего, поскольку он полностью экологичен, не выделяет вредных выбросов или долговременных отходов и потенциально неисчерпаем. Это цель, которую мы все более и более стремимся быстро достичь ».

CFS поддержит исследования MIT на сумму более 30 миллионов долларов в течение следующих трех лет за счет инвестиций Eni и других компаний.Эта работа будет направлена ​​на разработку самых мощных в мире сверхпроводящих электромагнитов с большим диаметром отверстия - ключевого компонента, который позволит создать гораздо более компактную версию термоядерного устройства, называемого токамаком. Магниты, основанные на сверхпроводящем материале, который только недавно стал доступным на рынке, будут создавать магнитное поле в четыре раза сильнее, чем в любом существующем термоядерном эксперименте, что позволит более чем в десять раз увеличить мощность, создаваемую токамаком заданного значения. размер.

Задуман в PSFC

Проект был разработан исследователями из Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института во главе с директором PSFC Деннисом Уайтом, заместителем директора Мартином Гринвальдом и командой, в которую вошли представители со всего MIT, включая дисциплины из от инженерии к физике, архитектуре, экономике. В ядро ​​команды PSFC входили Мумгаард, Дэн Бруннер, доктор философии '13, и Брэндон Сорбом, доктор философии '17, которые сейчас возглавляют CFS, а также Зак Хартвиг, доктор философии '14, ныне доцент кафедры ядерной науки и инженерии в Массачусетском технологическом институте.

Как только сверхпроводящие электромагниты будут разработаны исследователями из Массачусетского технологического института и CFS - ожидается, что это произойдет в течение трех лет - MIT и CFS разработают и построят компактный и мощный термоядерный эксперимент, названный SPARC, с использованием этих магнитов. Эксперимент будет использоваться для того, что, как ожидается, станет последним раундом исследований, позволяющих спроектировать первые в мире коммерческие термоядерные электростанции.

SPARC рассчитан на выработку около 100 МВт тепла. Хотя он не превратит это тепло в электричество, он будет производить импульсами длительностью около 10 секунд столько же энергии, сколько потребляет небольшой город.Эта мощность будет более чем в два раза превышать мощность, используемую для нагрева плазмы, что позволит достичь высшей технической вехи: положительной чистой энергии от термоядерного синтеза.

Эта демонстрация позволит установить, что новая электростанция диаметром примерно в два раза больше SPARC, способная производить коммерчески рентабельную полезную мощность, может быть продвинута на стадии окончательного проектирования и строительства. Такая установка станет первой в мире термоядерной электростанцией с мощностью 200 МВт электроэнергии, сравнимой с мощностью большинства современных коммерческих электростанций.На этом этапе его реализация могла бы продолжаться быстро и с небольшим риском, и такие электростанции могли быть продемонстрированы в течение 15 лет, говорят Уайт, Гринвальд и Хартвиг.

Дополняет ITER

Ожидается, что этот проект дополнит исследования, запланированные для крупного международного сотрудничества под названием ITER, который в настоящее время строится как крупнейший в мире термоядерный эксперимент на площадке на юге Франции. Ожидается, что в случае успеха ИТЭР начнет производить термоядерную энергию примерно в 2035 году.

«Fusion слишком важен только для одного трека», - говорит Гринвальд, старший научный сотрудник PSFC.

Благодаря использованию магнитов, сделанных из недавно доступного сверхпроводящего материала - стальной ленты, покрытой составом, называемым оксидом иттрия-бария-меди (YBCO), - SPARC предназначен для получения выходной мощности термоядерного синтеза примерно в пятую часть мощности ИТЭР, но в По словам Хартвига, объем устройства составляет лишь 1/65 его объема. Он добавляет, что главное преимущество ленты YBCO заключается в том, что она резко снижает стоимость, сроки и организационную сложность, необходимые для создания устройств для чистой термоядерной энергии, что дает возможность новым игрокам и новым подходам к термоядерной энергии в масштабе университетов и частных компаний.

То, как эти сильнопольные магниты сокращают размеры растений, необходимых для достижения заданного уровня мощности, имеет последствия, которые отражаются во всех аспектах конструкции. Компоненты, которые в противном случае были бы настолько большими, что их пришлось бы изготавливать на месте, вместо этого можно было бы собирать на заводе и перевозить на грузовиках; все вспомогательные системы для охлаждения и других функций будут пропорционально уменьшены; и общие затраты и время на проектирование и строительство будут значительно сокращены.

«То, что вы ищете, - это технологии производства электроэнергии, которые будут хорошо вписываться в смесь, которая будет интегрирована в сеть через 10–20 лет», - говорит Хартвиг. «Электросеть сейчас отходит от этих двух- или трехгигаваттных монолитных угольных электростанций или электростанций деления. Диапазон мощностей мощностей по производству электроэнергии в США в настоящее время находится в диапазоне от 100 до 500 мегаватт. Ваша технология должна соответствовать тому, что продается, чтобы уверенно конкурировать на жестком рынке.

Поскольку магниты являются ключевой технологией для нового термоядерного реактора и поскольку их разработка сопряжена с большими неопределенностями, объясняет Уайт, работа над магнитами будет начальной трехлетней фазой проекта, основанной на прочном фундаменте. Исследования, финансируемые из федерального бюджета, проводятся в Массачусетском технологическом институте и других местах. По его словам, после того, как магнитная технология будет проверена, следующий этап проектирования токамака SPARC будет основан на относительно простой эволюции существующих экспериментов с токамаком.

«Ставя на первый план развитие магнита, - говорит Уайт, профессор инженерных наук Hitachi America и глава департамента ядерной науки и инженерии Массачусетского технологического института, - мы думаем, что это даст вам действительно надежный ответ через три года и даст вам большая уверенность в том, что вы даете себе наилучший шанс ответить на ключевой вопрос, а именно: можете ли вы получить чистую энергию из магнитно удерживаемой плазмы? »

Исследовательский проект направлен на использование научных знаний и опыта, накопленных за десятилетия исследований, финансируемых государством, включая работу Массачусетского технологического института с 1971 по 2016 год, с его экспериментом Alcator C-Mod, а также его предшественниками - в сочетании с интенсивность хорошо финансируемой стартап-компании.Уайт, Гринвальд и Хартвиг ​​говорят, что такой подход может значительно сократить время, необходимое для вывода на рынок технологии термоядерного синтеза, хотя еще есть время для того, чтобы термоядерный синтез действительно повлиял на изменение климата.

Участие в MITEI

Commonwealth Fusion Systems - частная компания, которая присоединится к MIT Energy Initiative (MITEI) в рамках нового партнерства между университетами и промышленностью, созданного для реализации этого плана. Ожидается, что сотрудничество между MITEI и CFS будет способствовать исследованиям и обучению в Массачусетском технологическом институте в области науки о термоядерном синтезе, в то же время создавая сильного промышленного партнера, который, в конечном итоге, сможет использовать термоядерную энергию в реальных условиях.

«MITEI создал новый членский состав специально для энергетических стартапов, и CFS - первая компания, которая стала участником этой новой программы», - говорит директор MITEI Роберт Армстронг, профессор химической инженерии Chevron в Массачусетском технологическом институте. «Помимо предоставления доступа к значительным ресурсам и возможностям Института, членство призвано познакомить стартапы с действующими энергетическими компаниями и их обширные знания об энергетической системе. Благодаря сотрудничеству с MITEI, Eni, один из членов-основателей MITEI, осознал огромный потенциал SPARC для революционных изменений в энергетической системе.”

Энергетическим стартапам часто требуется значительное финансирование исследований, чтобы продвинуть свои технологии до точки, где новые решения в области экологически чистой энергии могут быть выведены на рынок. Традиционные формы финансирования на ранних этапах часто несовместимы с длительными сроками реализации и капиталоемкостью, которые хорошо известны инвесторам в энергетику.

«Из-за природы условий, необходимых для проведения реакций синтеза, нужно начинать с масштабов», - говорит Гринвальд. «Вот почему такое сотрудничество академических и промышленных кругов было необходимо для быстрого развития технологий.Это не похоже на то, как три инженера создают новое приложение в гараже ».

Большая часть начального раунда финансирования от CFS будет направлена ​​на поддержку совместных исследований и разработок в Массачусетском технологическом институте для демонстрации новых сверхпроводящих магнитов. Команда уверена, что магниты можно успешно разработать для решения поставленной задачи. Тем не менее, добавляет Гринвальд, «это не означает, что это тривиальная задача», и это потребует значительной работы большой группы исследователей. Но, отмечает он, другие создали магниты из этого материала для других целей, которые имели в два раза большую напряженность магнитного поля, чем потребуется для этого реактора.Хотя эти сильнопольные магниты были небольшими, они подтверждают основную осуществимость концепции.

В дополнение к поддержке CFS, Eni также объявила о соглашении с MITEI о финансировании исследовательских проектов по термоядерному синтезу, выполняемых Лабораторией инноваций в термоядерных технологиях PSFC. Ожидаемые инвестиции в эти исследовательские проекты в ближайшие годы составят около 2 миллионов долларов.

«Консервативная физика»

SPARC - это эволюция конструкции токамака, которая изучалась и совершенствовалась на протяжении десятилетий.Это включало работу в Массачусетском технологическом институте, которая началась в 1970-х годах под руководством профессоров Бруно Коппи и Рона Паркера, которые разработали эксперименты по термоядерному синтезу в сильном магнитном поле, которые с тех пор проводятся в Массачусетском технологическом институте, установив многочисленные рекорды термоядерного синтеза.

«Наша стратегия - использовать консервативную физику, основанную на десятилетиях работы в Массачусетском технологическом институте и других местах», - говорит Гринвальд. «Если SPARC действительно достигнет ожидаемой производительности, я считаю, что это своего рода момент для Kitty Hawk для синтеза, убедительно продемонстрировав полезную мощность в устройстве, которое масштабируется до реальной электростанции.”

Компания TAE Technologies, ставшая вехой в области термоядерной энергии, планирует коммерциализацию к 2030 году - TechCrunch

В небольшом промышленном парке, расположенном почти на полпути между Лос-Анджелесом и Сан-Диего, одна компания утверждает, что достигла важной вехи в разработке новой технологии производства энергии с помощью ядерного синтеза.

20-летний разработчик технологии термоядерной энергии TAE Technologies заявила, что ее реакторы могут работать в промышленных масштабах к концу десятилетия благодаря своей новой способности производить стабильную плазму при температурах более 50 миллионов градусов (почти вдвое горячее, чем солнце).

Перспективы термоядерной энергии, почти безграничного источника энергии с небольшими выбросами и отсутствием выбросов углекислого газа, были реализованы через 10 лет за почти 70 лет с тех пор, как человечество впервые использовало мощь ядерной энергии. Но множество компаний, включая TAE, General Fusion, Commonwealth Fusion Systems и множество других в Северной Америке и по всему миру, стремительно развиваются, стремясь перенести технологии из области научной фантастики в реальный мир.

Для TAE Technologies это достижение служит подтверждением работы всей жизни Нормана Ростокера, одного из соучредителей компании, который посвятил свою жизнь исследованиям в области термоядерной энергии и умер до того, как увидел, что компания, которую он помог создать, достигла своего последнего рубежа. .

«Это невероятно полезная веха и достойная дань уважения видению моего покойного наставника Нормана Ростокера», - сказал нынешний генеральный директор TAE Майкл Биндербауэр в заявлении о достижениях компании. «Норман и я написали статью в 1990-х годах, в которой предположили, что определенная плазма, в которой преобладают высокоэнергетические частицы, должна становиться все более удерживаемой и стабильной по мере повышения температуры. Теперь мы смогли продемонстрировать это поведение плазмы с неопровержимыми доказательствами.Это убедительное подтверждение нашей работы за последние три десятилетия и очень важная веха для TAE, которая доказывает, что законы физики на нашей стороне ».

Наследие Rostoker живет внутри TAE через технологическую платформу компании, получившую соответствующее название Norman. За последние 18 месяцев эта технология продемонстрировала стабильную производительность, достигая более 50 миллионов градусов за несколько сотен циклов испытаний.

Шесть лет назад компания доказала, что ее конструкция реактора может поддерживать плазму бесконечно долго - это означает, что после включения реакции термоядерная реакция может продолжаться бесконечно.Теперь, по словам компании, она достигла температуры, необходимой для того, чтобы ее реакторы стали коммерчески жизнеспособными.

Именно с этими вехами TAE смогла привлечь дополнительно 280 миллионов долларов финансирования, доведя общую сумму до 880 миллионов долларов и сделав это предприятие одним из наиболее финансируемых частных проектов в области ядерного синтеза в мире.

«Нормандский рубеж вселяет в нас высокую степень уверенности в том, что наш уникальный подход делает слияние технологическим и, что более важно, экономически возможным», - сказал Биндербауэр.«По мере того, как мы переходим от фазы научной проверки к разработке коммерческих решений как для наших технологий термоядерного синтеза, так и для управления энергопотреблением, TAE станет важным участником модернизации всей энергосистемы».

Компания пока не производит электроэнергию и не будет в обозримом будущем. По словам Биндербауэра, следующая цель компании - разработать технологию до такой степени, чтобы она могла создать условия, необходимые для получения энергии из реакции синтеза.

«Энергия крошечная. Это несущественно. Это иголка в стоге сена, - сказал Биндербауэр. «Что касается различимости энергии, мы можем использовать его для диагностики».

TAE Technologies Майкл Биндербауэр рядом с новым термоядерным реактором компании. Кредиты изображений: TAE Technologies

Следуй за солнцем

TAE Technologies потребовалось 150 миллионов долларов и пять итераций, чтобы добраться до Norman, своего национального термоядерного устройства лабораторного масштаба. Компания заявила, что провела более 25000 экспериментов в активной зоне полностью интегрированного термоядерного реактора, оптимизированных с помощью программ машинного обучения, разработанных в сотрудничестве с Google, и вычислительной мощности программы INCITE Министерства энергетики, которая использует экзафлопсные вычисления, сообщает TAE Technologies.

Впервые новая машина была запущена летом 2017 года. Прежде чем она могла быть построена, TAE Technologies провела десятилетие экспериментов, чтобы даже приблизиться к созданию физического прототипа. К 2008 году началось первое строительство комплексных экспериментов по созданию плазменного ядра и наполнению его некоторыми энергичными частицами. По словам Биндербауэра, стоимость только фидерной технологии и балок составляет 100 миллионов долларов. Затем компании потребовалось разработать другие технологии, такие как вакуумное кондиционирование.Также необходимо было внедрить механизмы управления мощностью, чтобы гарантировать, что 3-мегаваттный источник питания компании может храниться в системах герметизации, достаточных для обеспечения энергетической реакции мощностью 750 мегаватт.

Наконец, нужно было использовать возможности машинного обучения у таких компаний, как Google, а вычислительные мощности Министерства энергетики нужно было использовать для управления вычислениями, которые могли бы использовать теоремы, которые определяли работу всей жизни Ростокера, и доказать, что они могут быть выполнены. настоящий.

«К тому времени, когда Norman стал действующей машиной, у нас было четыре поколения устройств, предшествующих ему. Из них было два полностью интегрированных и два поколения дополнительных машин, которые могли делать некоторые из них, но не все ».

Проблемы горения Fusion Energy

Хотя термоядерный синтез является многообещающим источником энергии с нулевым содержанием углерода, он не лишен некоторых серьезных ограничений, как отметил Дэниел Джассби, бывший главный физик Принстонской лаборатории физики плазмы в статье Бюллетеня ученых-атомщиков за 2017 год.

Jassby написал:

Земные термоядерные реакторы, сжигающие богатые нейтронами изотопы, имеют побочные продукты, которые далеко не безвредны: энергетические нейтронные потоки составляют 80 процентов выходной энергии термоядерного синтеза дейтерий-тритиевых реакций и 35 процентов дейтерий-дейтериевых реакций.

Итак, источник энергии, состоящий на 80 процентов из энергетических потоков нейтронов, может быть идеальным источником нейтронов , но поистине странно, что его когда-либо провозгласили идеальным источником электрической энергии .Фактически, эти нейтронные потоки непосредственно приводят к четырем прискорбным проблемам ядерной энергетики: радиационное повреждение конструкций; радиоактивные отходы; необходимость биологической защиты; и потенциал для производства оружейного плутония-239, что увеличивает угрозу распространения ядерного оружия, а не уменьшает ее, как этого хотели бы сторонники термоядерного синтеза.

Вдобавок, если термоядерные реакторы действительно осуществимы - как здесь предполагается, - они будут разделять некоторые из других серьезных проблем, с которыми сталкиваются реакторы деления, включая выброс трития, огромные потребности в теплоносителе и высокие эксплуатационные расходы.Также будут дополнительные недостатки, присущие только термоядерным устройствам: использование топлива (трития), которое не встречается в природе и должно пополняться самим реактором; и неизбежные утечки электроэнергии на месте, которые резко сокращают доступную для продажи электроэнергию.

TAE Technologies знает о проблемах, по словам представителя фирмы, и компания отметила проблемы, которые Jassby поднял при разработке своей продукции, сказал представитель компании.

«Все упоминания о тритии - вот почему компания TAE с самого начала (начало 90-х годов) сосредоточила внимание на pB-11 в качестве сырья.TAE достигнет условий D-T в качестве естественной ступеньки к pB-11, потому что он готовится при «всего» 100 млн c, тогда как pB-11 превышает 1B c », - написал в ответе пресс-секретарь. «Казалось бы, гораздо сложнее выполнить масштабирование до 1B, но то, что доказывает эта веха, - это« закон масштабирования »для того типа слияния, который генерирует TAE - в FRC (линейный дизайн« Нормана », в отличие от пончика Токамаки) чем горячее плазма, тем стабильнее она становится. Это противоположность [токамака]. Эта веха дает им научную уверенность в том, что они могут повысить температуры от DT до pB11 и реализовать синтез с бором - дешевым, аневтронным, в большом количестве - идеальным наземным сырьем.”

Что касается энергопотребления, термоядерный реактор TAE может преобразовать сетевое питание мощностью 2 МВт в импульсы мощностью 750 МВт на машине без отключения энергосистемы округа Ориндж (и необходимости доказать это SCE), а также масштабировать энергопотребление за микросекунды для формования и корректировки курса "плазма в реальном времени", - написал представитель.

Фактически, TAE собирается выделить свою технологию управления питанием в отдельный бизнес, сфокусированный на сокращении пиковых нагрузок, хранении энергии и управлении батареями в сети и в электромобилях.

«Более безопасная» технология термоядерного синтеза?

Топливный цикл водород-бор, или p-B11, является, по словам компании, самым распространенным источником топлива на Земле и будет основным сырьем для реактора TAE Technologies, согласно заявлению компании. Но первоначально TAE, как и большинство других компаний, которые в настоящее время разрабатывают термоядерные технологии, будет работать с дейтерий-тритием в качестве источника топлива.

Демонстрационный объект «Коперник», который будет построен с использованием части нового капитала, о привлечении которого компания объявила, начнет работу по топливному циклу DT и, в конечном итоге, перейдет на него.Со временем TAE надеется получить лицензию на технологию DT, добиваясь своей конечной цели.

Финансирование подхода «деньги по этапам» компании - это одни из самых богатых семей, фирм и компаний в мире. Vulcan, Venrock, NEA, Wellcome Trust, Google и Управление инвестиций Кувейта - все это спонсоры. То же самое и с семейными офисами Аддисон Фишер, Арта Самберга и Чарльза Шваба.

«TAE творит чудеса, в которых нуждается 21 век», - сказал Аддисон Фишер, директор совета директоров TAE и давний инвестор, который десятилетиями занимается вопросами сохранения и защиты окружающей среды.Фишер также основал VeriSign и является пионером в определении и внедрении технологий безопасности, лежащих в основе современной электронной торговли. «Последнее финансирование TAE позволяет компании предпринять предпоследний шаг по внедрению экологически безопасных решений для аневтронного ядерного синтеза и управления энергопотреблением, которые принесут пользу планете».

Внутри лаборатории TAE Technologies и установки для ядерного синтеза

Воссоздать в лаборатории ядерную реакцию, приводящую в действие Солнце и другие звезды, - так называемый ядерный синтез - это подвиг, столь же сложный, как это звучит.

Fusion может производить огромное количество безуглеродной или чистой энергии. Таким образом, хотя ни один ученый пока не добился полного успеха в создании полезной энергии из термоядерного синтеза, несколько компаний работают над этим.

Машины, создаваемые учеными для этого, называются реакторами, они очень тяжелые, стоят десятки миллионов долларов и представляют собой кульминацию десятилетий научных исследований.

TAE Technologies со штаб-квартирой в Футхилл-Ранч, Калифорния, является термоядерной компанией, использующей уникальную конструкцию реактора, и недавно она достигла ключевой вехи в поисках энергии, пригодной для использования в термоядерном синтезе.TAE Technologies поделилась этим виртуальным туром по своей лаборатории, чтобы объяснить потенциал технологии термоядерного синтеза.

Взгляните.

Как достичь 50 миллионов градусов Цельсия

Чтобы воссоздать термоядерный синтез на Земле, сначала нужно нагреть более легкий атом, такой как водород , пока он не перейдет в четвертое состояние материи, плазму. (Первые три состояния - твердое, затем жидкое, затем газ.)

Газ должен быть «перегрет», чтобы создать плазму, говорит генеральный директор TAE Technologies Майкл Биндербауэр.

Затем перегретая плазма должна поддерживаться в течение достаточно длительного времени и в достаточно стабильном состоянии для высвобождения энергии.

Майкл Биндербауэр, генеральный директор термоядерной компании TAE Technologies

Фото любезно предоставлено TAE Technologies

В апреле компания TAE Technologies, основанная в 1998 году, объявила, что может производить стабильную плазму с температурой более 50 миллионов градусов Цельсия с помощью своего поля. Машина с обратной конфигурацией или FRC. Машина получила прозвище Норман в честь покойного наставника Биндербауэра, Нормана Ростокера, «одного из полевых пап», - говорит он.

Хотя этот рубеж важен, это не самая высокая температура, которую можно получить в термоядерной лаборатории. «Китайцы и корейцы достигли более 100 миллионов градусов на своих токамаках [термоядерных машинах] - это совершенно другой эксперимент», - говорит Эндрю Холланд, исполнительный директор Ассоциации производителей термоядерного синтеза.

На видео ниже показано формирование и поддержание плазмы внутри термоядерной машины TAE.

Другой тип термоядерного реактора

Обычно для попытки термоядерного синтеза используются токамаки в форме пончика, о которых упоминала Голландия.Однако по словам Биндербауэра, реактор TAE FRC дешевле в строительстве и ремонте, а его система менее сложна.

FRC-машина Norman компании TAE, которую можно увидеть на фотографиях и в видео ниже, стоила 150 миллионов долларов и была построена с середины 2016 до середины 2017 года.

Он имеет длину 80 футов, высоту 22 фута и вес 60 000 фунтов.

Машина сначала создает внутренний вакуум. Затем «мы вводим горстку частиц - примерно в миллион раз менее плотных, чем воздух, в котором мы находимся в комнате - так что количество частиц там крошечное», - сказал Биндербауэр CNBC Make It.

На каждом из концов машины водород нагревается с образованием плазмы. Затем две плазмы сталкиваются в средней части машины. Смотрите это в видеоклипе, встроенном ниже.

Ускорители пучков частиц (на фотографиях ниже с желтыми концами) удерживают сжатую плазму на месте, чтобы мог произойти синтез.

«По мере того, как мы переходим от фазы научной валидации к разработке коммерческих решений как для наших технологий термоядерного синтеза, так и для управления энергопотреблением, TAE внесет значительный вклад в модернизацию всей энергосистемы», - сказал Биндербауэр в письменном заявлении компании. последнее увеличение финансирования.

Фото любезно предоставлено: TAE Technologies, fusion

TAE Technologies использует водородно-борное топливо, которое является «самым чистым и экологически чистым источником топлива на Земле, без вредных первичных побочных продуктов и достаточного количества природных ресурсов для поддержания жизни на планете практически 100 000 человек. лет », - говорит Биндербауэр. «Как вид, мы, скорее всего, вымерли бы по своей воле, прежде чем у нас закончится это топливо».

«Нормандская веха вселяет в нас высокую степень уверенности в том, что наш уникальный подход обеспечивает слияние технологически и, что более важно, экономически», - сказал Биндербауэр в письменном заявлении.

Фотография любезно предоставлена ​​TAE Technologies

Но использование водорода и бора «требует гораздо более высоких температур для достижения термоядерного синтеза, поэтому это намного сложнее», - говорит Холланд.

Достижение 50 миллионов градусов по Цельсию принесло TAE вливание в апреле 280 миллионов долларов от инвесторов, включая Vulcan, Venrock, NEA, Wellcome Trust, Google и Управление инвестиций Кувейта, а также семейные офисы Аддисон Фишер, Арта Самберга, и Чарльз Шваб. В общей сложности TAE Technologies привлекла от инвесторов 880 миллионов долларов.

Но 50 миллионов градусов по Цельсию все еще недостаточно для создания того, что называется «чистой энергией». В современных технологиях термоядерный синтез узурпирует всю создаваемую им энергию для поддержания собственной реакции, не оставляя чистой энергии для питания других вещей.

Для достижения чистой энергии TAE будет использовать недавнее финансирование для создания FRC следующего поколения под названием Copernicus, визуализация которого приведена ниже. Согласно апрельскому заявлению TAE, он «будет работать при температуре выше 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы моделировать чистое производство энергии».

Это изображение Коперника, термоядерной машины следующего поколения, которую TAE Technologies собирается построить.

Рендеринг любезно предоставлен TAE Technologies

Дизайн Коперника, который похож на Нормана, все еще дорабатывается.

Будущее термоядерного синтеза

«Наш план игры, который мы выполняем, состоит в том, чтобы к концу 20-х годов запустить демонстрационную электростанцию, а затем перейти к коммерциализации», - говорит Биндербауэр.

Но одна из распространенных критических замечаний по поводу слияния заключается в том, что потребуется слишком много времени, чтобы понять, что это поможет с изменением климата.

«Fusion обладает огромным потенциалом для того, чтобы внести свой вклад в будущее чистой энергии», - говорит Джонатан Кобб, старший аналитик Всемирной ядерной ассоциации. Но даже если чистая энергия будет достигнута в 2020-х годах, «широкое распространение термоядерного синтеза в какой-то момент будет прекращено».

Если быть точным, по состоянию на 30 апреля есть шесть лет и восемь месяцев, пока количество углекислого газа, выброшенного в атмосферу, не вызовет глобальное потепление на планете, которое превысит 1,5 градуса Цельсия, что является предпочтительным пределом глобального потепления по сравнению с доиндустриальным периодом. уровни, согласованные Парижским соглашением.

Биндербауэр соглашается, время до того, как синтез можно будет использовать, «значительно». Но он считает, что синтез по-прежнему важен. «В течение следующих 25 лет мы собираемся удвоить спрос на электроэнергию в мире», - говорит он. «Итак, вопрос в том, как это будет получено?»

См. Также:

Как компания Билла Гейтса TerraPower строит ядерную энергетику нового поколения

Это побочное предложение Google X предлагает путь для обогрева и охлаждения вашего дома чистой энергия

Этот стартап, поддерживаемый Биллом Гейтсом и Джеффом Безосом, направлен на практически неограниченное производство чистой энергии

Ядерный синтез: WNA - Всемирная ядерная ассоциация

(Обновлено в июне 2021 г.)

  • Термоядерная энергия открывает перспективу почти неисчерпаемого источника энергии для будущих поколений, но также представляет собой нерешенные до сих пор инженерные задачи.
  • Основная задача состоит в том, чтобы достичь скорости тепла, излучаемой термоядерной плазмой, которая превышает скорость энергии, вводимой в плазму.
  • Основная надежда связана с реакторами токамаков и стеллараторами, которые удерживают дейтериево-тритиевую плазму магнитным способом.

Сегодня многие страны в той или иной степени участвуют в исследованиях термоядерного синтеза, возглавляемые Европейским союзом, США, Россией и Японией, при этом активные программы также реализуются в Китае, Бразилии, Канаде и Корее.Первоначально исследования термоядерного синтеза в США и СССР были связаны с разработкой атомного оружия и оставались засекреченными до конференции «Атом для мира» в Женеве в 1958 году. После прорыва на советском токамаке в 1970-е годы термоядерные исследования стали «большой наукой». Но стоимость и сложность задействованных устройств возросли до такой степени, что международное сотрудничество стало единственным путем вперед.

Термоядерный синтез приводит в действие Солнце и звезды, поскольку атомы водорода сливаются вместе, образуя гелий, и материя преобразуется в энергию.Водород, нагретый до очень высоких температур, превращается из газа в плазму, в которой отрицательно заряженные электроны отделены от положительно заряженных ядер атомов (ионов). Обычно синтез невозможен, потому что сильно отталкивающие электростатические силы между положительно заряженными ядрами не позволяют им сблизиться достаточно близко друг к другу, чтобы столкнуться и произойти слияние. Однако, если условия таковы, что ядра могут преодолевать электростатические силы до такой степени, что они могут находиться на очень близком расстоянии друг от друга, тогда ядерная сила притяжения (которая связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах) между ядрами перевешивает отталкивающую (электростатическую) силу, позволяя ядрам сливаться вместе.Такие условия могут возникать при повышении температуры, в результате чего ионы перемещаются быстрее и в конечном итоге достигают достаточно высоких скоростей, чтобы сблизить ионы достаточно близко друг к другу. Затем ядра могут сливаться, вызывая высвобождение энергии.

Технология Fusion

На Солнце мощные гравитационные силы создают подходящие условия для термоядерного синтеза, но на Земле их гораздо труднее достичь. Термоядерное топливо - различные изотопы водорода - должно быть нагрето до экстремальных температур порядка 50 миллионов градусов по Цельсию и должно оставаться стабильным при интенсивном давлении, а значит, достаточно плотным и ограниченным в течение достаточно длительного времени, чтобы ядра могли слиться.Целью программы исследований управляемого термоядерного синтеза является достижение «воспламенения», которое происходит, когда происходит достаточно реакций термоядерного синтеза, чтобы процесс стал самоподдерживающимся, с последующим добавлением свежего топлива для его продолжения. После воспламенения возникает чистый выход энергии - примерно в четыре раза больше, чем при ядерном делении. По данным Массачусетского технологического института (MIT), количество производимой энергии увеличивается пропорционально квадрату давления, поэтому удвоение давления приводит к четырехкратному увеличению производства энергии.

При современных технологиях реакция наиболее вероятна между ядрами двух тяжелых форм (изотопов) водорода - дейтерия (D) и трития (T). Каждое событие синтеза D-T высвобождает 17,6 МэВ (2,8 x 10 -12 джоулей по сравнению с 200 МэВ для деления U-235 и 3-4 МэВ для синтеза D-D). a По массе реакция синтеза D-T выделяет в четыре раза больше энергии, чем при делении урана. Дейтерий естественным образом встречается в морской воде (30 граммов на кубический метр), что делает его очень распространенным по сравнению с другими энергетическими ресурсами.Тритий в природе встречается только в следовых количествах (образуется космическими лучами) и является радиоактивным с периодом полураспада около 12 лет. Используемые количества могут быть получены в обычном ядерном реакторе или, в данном контексте, получены в термоядерной системе из лития. b Литий содержится в больших количествах (30 частей на миллион) в земной коре и в более слабых концентрациях в море.

В термоядерном реакторе концепция заключается в том, что нейтроны, генерируемые в результате реакции синтеза D-T, будут поглощаться бланкетом, содержащим литий, который окружает активную зону.Затем литий превращается в тритий (который используется в качестве топлива для реактора) и гелий. Бланкет должен быть достаточно толстым (около 1 метра), чтобы замедлять нейтроны высокой энергии (14 МэВ). Кинетическая энергия нейтронов поглощается бланкетом, вызывая его нагрев. Тепловая энергия собирается теплоносителем (вода, гелий или эвтектика Li-Pb), протекающим через бланкет, и на термоядерной электростанции эта энергия будет использоваться для выработки электричества обычными методами. Если производится недостаточное количество трития, необходимо использовать какой-либо дополнительный источник, такой как использование реактора деления для облучения тяжелой воды или лития нейтронами, а посторонний тритий создает трудности при обращении, хранении и транспортировке.

Трудность заключалась в разработке устройства, которое могло бы нагревать топливо D-T до достаточно высокой температуры и удерживать его достаточно долго, чтобы в реакциях синтеза выделялось больше энергии, чем используется для запуска реакции. Хотя в центре внимания находится реакция D-T, в долгосрочной перспективе возлагаются надежды на реакцию D-D, но для этого требуются гораздо более высокие температуры.

В любом случае задача состоит в том, чтобы использовать тепло для нужд человека, в первую очередь для выработки электроэнергии. Плотность энергии реакций синтеза в газе намного меньше, чем для реакций деления в твердом топливе, и, как уже отмечалось, выход тепла на реакцию в 70 раз меньше.Следовательно, термоядерный синтез всегда будет иметь гораздо более низкую плотность мощности, чем ядерное деление, а это означает, что любой термоядерный реактор должен быть больше и, следовательно, более дорогостоящим, чем реактор деления с той же выходной мощностью. Кроме того, в ядерных реакторах деления используется твердое топливо, которое плотнее термоядерной плазмы, поэтому выделяемая энергия более концентрирована. Также энергия нейтронов от термоядерного синтеза выше, чем от деления - 14,1 МэВ вместо примерно 2 МэВ, что создает серьезные проблемы для конструкционных материалов.

В настоящее время изучаются два основных экспериментальных подхода: магнитное удержание и инерционное удержание. Первый метод использует сильные магнитные поля для сдерживания горячей плазмы. Во втором случае небольшая таблетка, содержащая термоядерное топливо, сжимается до чрезвычайно высокой плотности с помощью сильных лазеров или пучков частиц.

Магнитное удержание

В термоядерном синтезе с магнитным удержанием (MCF) сотни кубических метров D-T плазмы с плотностью менее миллиграмма на кубический метр удерживаются магнитным полем при давлении в несколько атмосфер и нагреваются до температуры термоядерного синтеза.

Магнитные поля идеально подходят для удержания плазмы, потому что электрические заряды на разделенных ионах и электронах означают, что они следуют за линиями магнитного поля. Цель состоит в том, чтобы предотвратить соприкосновение частиц со стенками реактора, поскольку это рассеивает их тепло и замедляет их работу. Наиболее эффективная магнитная конфигурация - тороидальная, в форме бублика, в которой магнитное поле изогнуто, образуя замкнутый контур. Для надлежащего удержания на это тороидальное поле должно быть наложено перпендикулярное поле (полоидальное поле).Результатом является магнитное поле с силовыми линиями, движущимися по спирали (винтовой) траектории, которая ограничивает и контролирует плазму.

Существует несколько типов тороидальных систем удержания, наиболее важными из которых являются токамаки, стеллараторы и пинч-устройства с обращенным полем (RFP).

В токамаке тороидальное поле создается серией катушек, равномерно распределенных вокруг тороидального реактора, а полоидальное поле создается системой горизонтальных катушек вне структуры тороидального магнита.Сильный электрический ток индуцируется в плазме с помощью центрального соленоида, и этот индуцированный ток также вносит вклад в полоидальное поле. В стеллараторе спиральные силовые линии образуются серией катушек, которые сами могут иметь спиралевидную форму. В отличие от токамаков, стеллараторы не требуют индуцирования тороидального тока в плазме. Устройства RFP имеют те же тороидальные и полоидальные компоненты, что и токамак, но ток, протекающий через плазму, намного сильнее, и направление тороидального поля в плазме меняется на противоположное.

В токамаках и устройствах RFP ток, протекающий через плазму, также служит для ее нагрева до температуры около 10 миллионов градусов Цельсия. Кроме того, необходимы дополнительные системы нагрева для достижения температур, необходимых для плавления. В стеллараторах эти системы отопления должны обеспечивать всю необходимую энергию.

Токамак ( тороидальная камера ее магнитная катушка - магнитная камера в форме тора) был разработан в 1951 году советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.Токамаки работают с ограниченными параметрами, за пределами которых могут возникать внезапные потери удержания энергии (сбои), вызывающие большие тепловые и механические нагрузки на конструкцию и стены. Тем не менее, эта конструкция считается наиболее перспективной, и по всему миру продолжаются исследования различных токамаков.

Также ведутся исследования по нескольким типам стеллараторов. Лайман Спитцер разработал и начал работу над первым термоядерным устройством - стелларатором - в лаборатории физики плазмы Принстона в 1951 году.Из-за сложности удержания плазмы стеллараторы перестали пользоваться популярностью до тех пор, пока методы компьютерного моделирования не позволили рассчитать точную геометрию. Поскольку в стеллараторах отсутствует тороидальный плазменный ток, стабильность плазмы повышается по сравнению с токамаками. Поскольку горящую плазму легче контролировать и контролировать, стеллераторы обладают внутренним потенциалом для установившейся непрерывной работы. Недостатком является то, что стеллараторы из-за своей более сложной формы проектировать и строить намного сложнее, чем токамаки.

Устройства

RFP отличаются от токамаков главным образом пространственным распределением тороидального магнитного поля, меняющего знак на краю плазмы. Аппарат RFX в Падуе, Италия, используется для изучения физических проблем, возникающих из-за спонтанной реорганизации магнитного поля, которая является неотъемлемой особенностью этой конфигурации.

Инерционное удержание

В термоядерном синтезе с инерционным удержанием, который является новым направлением исследований, лазерные или ионные лучи очень точно фокусируются на поверхности мишени, которая представляет собой таблетку топлива D-T диаметром несколько миллиметров.Это нагревает внешний слой материала, который взрывается наружу, создавая движущийся внутрь фронт сжатия или имплозию, которая сжимает и нагревает внутренние слои материала. Ядро топлива может быть сжато в тысячу раз по сравнению с плотностью жидкости, что приведет к условиям, при которых может произойти синтез. Выделяющаяся при этом энергия будет нагревать окружающее топливо, которое также может подвергнуться плавлению, что приведет к цепной реакции (известной как воспламенение), когда реакция распространяется наружу через топливо. Время, необходимое для возникновения этих реакций, ограничено инерцией топлива (отсюда и название), но составляет менее микросекунды.До сих пор в большинстве работ по инерционному удержанию использовались лазеры.

Недавняя работа в Институте лазерной инженерии Университета Осаки в Японии предполагает, что воспламенение может быть достигнуто при более низкой температуре с помощью второго очень интенсивного лазерного импульса, направляемого через золотой конус высотой миллиметра в сжатое топливо и синхронизируемого с пиком сжатия. Этот метод, известный как «быстрое зажигание», означает, что сжатие топлива отделено от образования горячих точек с зажиганием, что делает процесс более практичным.

В Великобритании компания First Light Fusion, базирующаяся недалеко от Оксфорда, исследует инерционную термоядерную энергию (IFE), уделяя особое внимание технологии силовых драйверов с использованием подхода асимметричной имплозии. Помимо производства электроэнергии, компания рассматривает приложения для обработки материалов и химического производства.

Национальный центр зажигания США (NIF) - это большое лазерное устройство для исследования термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии. Он фокусирует 192 мощных лазерных луча в небольшую цель за несколько миллиардных долей секунды, обеспечивая более 2 МДж ультрафиолетовой энергии и 500 ТВт пиковой мощности.

Совершенно другая концепция, «Z-пинч» (или «дзета-пинч»), использует сильный электрический ток в плазме для генерации рентгеновских лучей, которые сжимают крошечный топливный цилиндр D-T.

Сварка с намагниченной мишенью

Синтез с намагниченной мишенью (MTF), также называемый магнито-инерционным синтезом (MIF), представляет собой импульсный подход к термоядерному синтезу, который сочетает в себе нагрев сжатия при инерционном удержании термоядерного синтеза с магнитным уменьшением теплопереноса и магнитно-усиленным альфа-нагревом термоядерного синтеза с магнитным удержанием .

В настоящее время проводятся эксперименты с рядом систем MTF, и в них обычно используется магнитное поле для удержания плазмы с нагревом под действием сжатия, обеспечиваемым лазерным, электромагнитным или механическим взрывом лайнера. В результате этого комбинированного подхода требуется более короткое время удержания плазмы, чем для магнитного удержания (от 100 нс до 1 мс, в зависимости от подхода MIF), что снижает потребность в стабилизации плазмы на длительные периоды. И наоборот, сжатие может быть достигнуто в течение более длительного времени, чем это характерно для инерционного удержания, что позволяет достичь сжатия с помощью механических, магнитных, химических или относительно маломощных лазерных драйверов.

В настоящее время разрабатывается несколько подходов к исследованию MTF, включая эксперименты в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Национальной лаборатории Сандиа, Университете Рочестера и частных компаниях General Fusion и Helion Energy.

Задачи НИОКР для MTF включают в себя вопрос о том, можно ли сформировать подходящую целевую плазму и нагреть ее до условий термоядерного синтеза, избегая при этом загрязнения лайнером, как при магнитном удержании и инерционном удержании. Из-за меньших требований к времени удержания и скорости сжатия, MTF использовался как более дешевый и более простой подход к исследованию этих проблем, чем традиционные проекты термоядерного синтеза.

Гибридный сплав

Синтез может также сочетаться с делением в так называемом гибридном ядерном синтезе, когда бланкет, окружающий активную зону, является подкритическим реактором деления. Реакция синтеза действует как источник нейтронов для окружающего бланкета, где эти нейтроны захватываются, в результате чего происходят реакции деления. Эти реакции деления также будут производить больше нейтронов, тем самым способствуя дальнейшим реакциям деления в бланкете.

Концепцию гибридного синтеза можно сравнить с системой, управляемой ускорителем (ADS), где ускоритель является источником нейтронов для сборки бланкета, а не реакциями ядерного синтеза (см. Страницу о ядерной энергии, управляемой ускорителем).Таким образом, бланкет гибридной термоядерной системы может содержать то же топливо, что и ADS - например, в качестве топлива можно использовать обильный элемент торий или долгоживущие тяжелые изотопы, присутствующие в отработанном ядерном топливе (из обычного реактора).

Бланкет, содержащий топливо деления в гибридной термоядерной системе, не потребует разработки новых материалов, способных выдерживать постоянную бомбардировку нейтронами, тогда как такие материалы потребуются в бланкете «традиционной» термоядерной системы.Еще одним преимуществом гибридной системы является то, что термоядерной части не нужно будет производить столько нейтронов, сколько (негибридный) термоядерный реактор, чтобы генерировать больше энергии, чем потребляется, поэтому термоядерный реактор промышленного масштаба в гибридной Система не обязательно должна быть такой же большой, как термоядерный реактор.

Исследования Fusion

Давняя шутка о термоядерном синтезе указывает на то, что с 1970-х годов до коммерческого использования термоядерной энергии всегда оставалось около 40 лет. Хотя в этом есть доля правды, было сделано много прорывов, особенно в последние годы, и в стадии разработки находится ряд крупных проектов, которые могут довести исследования до точки, в которой термоядерная энергия может быть коммерциализирована.

Было построено несколько токамаков , включая Joint European Torus (JET) и сферический токамак Mega Amp (MAST) в Великобритании, а также термоядерный реактор для испытаний токамаков (TFTR) в Принстоне в США. Проект ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор), который в настоящее время строится в Кадараше, Франция, станет крупнейшим токамаком, когда он заработает в 2020-х годах. Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза (CFETR) - это токамак, который, как сообщается, больше, чем ИТЭР, и должен быть завершен в 2030 году.Тем временем он запускает свой экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST). В Великобритании Tokamak Energy ввела в эксплуатацию и продолжает развивать свой токамак ST40.

Много исследований было проведено также на стеллараторах . Большое из них, Большое спиральное устройство в Японском национальном институте исследований термоядерного синтеза, начало работать в 1998 году. Оно используется для изучения наилучшей магнитной конфигурации для удержания плазмы. На территории Института физики плазмы Института Макса Планка в Германии в Гархинге исследования, проводившиеся на Wendelstein 7-AS в период с 1988 по 2002 год, продолжаются на Wendelstein 7-X, построенном в течение 19 лет на территории Института Макса Планка в Грайфсвальде. и пущена в конце 2015 года.Другой стелларатор, TJII, работает в Мадриде, Испания. В США в Принстонской лаборатории физики плазмы, где в 1951 году были построены первые стеллараторы, строительство стеллератора NCSX было прекращено в 2008 году из-за перерасхода средств и отсутствия финансирования. 2 .

Также были достигнуты значительные успехи в исследованиях инерционной энергии термоядерного синтеза (IFE). Строительство Национального центра зажигания (NIF) стоимостью 7 миллиардов долларов в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), финансируемого Национальным управлением ядерной безопасности, было завершено в марте 2009 года.Laser Mégajoule (LMJ) во французском регионе Бордо начал работу в октябре 2014 года. Оба предназначены для доставки за несколько миллиардных долей секунды почти двух миллионов джоулей световой энергии к целям размером в несколько миллиметров. Основная цель как NIF, так и LMJ - это исследования в поддержку соответствующих программ ядерных вооружений обеих стран.

ИТЭР

В 1985 году Советский Союз предложил построить токамак следующего поколения совместно с Европой, Японией и США. Сотрудничество было налажено под эгидой Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).Между 1988 и 1990 годами были разработаны первоначальные проекты Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER, что также означает «путь» или «путешествие» на латыни) с целью доказать, что термоядерный синтез может производить полезную энергию. В 1992 году четыре стороны договорились о дальнейшем сотрудничестве в области инженерного проектирования ИТЭР. Канада и Казахстан также участвуют через Евратом и Россию соответственно.

Шесть лет спустя Совет ИТЭР одобрил первый комплексный проект термоядерного реактора, основанный на хорошо известных физике и технологиях, с ценой в 6 миллиардов долларов.Затем США решили выйти из проекта, вынудив сократить расходы на 50% и провести редизайн. Результатом стал усовершенствованный токомак ITER Fusion Energy (ITER-FEAT) - первоначально предполагалось, что он будет стоить 3 миллиарда долларов, но все же достигнет целевых показателей самоподдерживающейся реакции и чистого прироста энергии. Предполагаемого прироста энергии вряд ли будет достаточно для электростанции, но он должен продемонстрировать осуществимость.

В 2003 году США вновь присоединились к проекту, и Китай также объявил о своем присоединении. После зашедшего в тупик обсуждения в середине 2005 г. шесть партнеров согласились разместить ИТЭР в Кадараше на юге Франции.Сделка предполагала крупные уступки Японии, которая выдвинула Роккашо в качестве предпочтительного участка. Европейский союз (ЕС) и Франция внесут половину общей стоимости проекта в 12,8 млрд евро, а другие партнеры - Япония, Китай, Южная Корея, США и Россия - внесут по 10% каждый. Япония предоставит много высокотехнологичных компонентов, разместит установку для испытаний материалов стоимостью 1 миллиард евро - Международный центр по облучению термоядерных материалов (IFMIF) - и получит право разместить последующий демонстрационный термоядерный реактор.Индия стала седьмым членом консорциума ИТЭР в конце 2005 года. В ноябре 2006 года семь членов - Китай, Индия, Япония, Россия, Южная Корея, США и Европейский Союз - подписали соглашение о реализации ИТЭР. Общая стоимость ИТЭР мощностью 500 МВт составляет примерно половину за десятилетнее строительство и половину за 20 лет эксплуатации.

Работы по подготовке площадки в Кадараше начались в январе 2007 года. Первый бетон для зданий был заложен в декабре 2013 года. Эксперименты должны были начаться в 2018 году, когда будет использоваться водород, чтобы избежать активации магнитов, но теперь это ожидается в 2025 году.Первая плазма D-T ожидается не раньше 2035 года. ИТЭР велик, потому что время удержания увеличивается с размером куба машины. Вакуумный сосуд будет иметь диаметр 19 м, высоту 11 м и вес более 5000 тонн.

Целью ИТЭР является работа с тепловой мощностью плазмы 500 МВт (в течение не менее 400 секунд непрерывно) при потребляемой мощности нагрева плазмы менее 50 МВт. Электроэнергия на ИТЭР производиться не будет.

Ассоциированным предприятием CEA в Кадараше является WEST, ранее называвшееся Tore Supra, которое предназначено для тестирования компонентов прототипа и ускорения их разработки для ИТЭР.Основное внимание уделяется структуре дивертора для удаления гелия, проверке долговечности используемых вольфрамовых материалов.

Ожидается, что демонстрационная электростанция мощностью 2 ГВт, известная как Demo, будет демонстрировать крупномасштабное производство электроэнергии на постоянной основе. Предполагалось, что концептуальный проект Demo будет завершен к 2017 году, строительство начнется примерно в 2024 году, а первая фаза эксплуатации начнется с 2033 года. С тех пор проект был отложен, а строительство запланировано на период после 2040 года.

JET

В 1978 году Европейское сообщество (Евратом, Швеция и Швейцария) запустило в Великобритании проект Joint European Torus (JET). JET - крупнейший токамак, действующий сегодня в мире. Аналогичный токамак, JT-60, работает в Naka Fusion Institute Японского агентства по атомной энергии в Японии, но только JET имеет возможности использовать топливо D-T.

После судебного спора с Евратомом в декабре 1999 года международный контракт JET закончился, и Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) взяло на себя управление JET от имени своих европейских партнеров.С этого времени экспериментальная программа JET координируется сторонами Европейского соглашения о развитии термоядерного синтеза (EFDA). c JET эксплуатируется Центром исследований термоядерного синтеза в Калхэме UKAEA, членом консорциума EUROfusion.

JET произвел свою первую плазму в 1983 году и стал первым экспериментом по производству контролируемой термоядерной энергии в ноябре 1991 года, хотя и с большим потреблением электроэнергии. С помощью этого устройства в плазме D-T было достигнуто до 16 МВт мощности термоядерного синтеза в течение одной секунды и поддерживаемая мощность 5 МВт, от 24 МВт мощности, вводимой в его систему нагрева, и проводится множество экспериментов для изучения различных схем нагрева и других методов.Компания JET очень успешно применила методы удаленного обращения в радиоактивной среде для модификации внутренней части устройства и показала, что дистанционное обслуживание термоядерных устройств является реалистичным.

JET - ключевое устройство в подготовке к ИТЭР. В последние годы он был значительно модернизирован для тестирования физических и технических систем плазмы ИТЭР. В JET планируются дальнейшие усовершенствования с целью превышения рекордной мощности термоядерного синтеза в будущих экспериментах D-T. Компактное устройство - сферический токамак Mega Amp (MAST) - было разработано вместе с JET в Калхэме, частично для обслуживания проекта ИТЭР, и в настоящее время осуществляется поэтапно масштабный проект модернизации MAST, чтобы увеличить мощность нейтрального луча с 5 до 12.5 МВт и энергия, вкладываемая в плазму от 2,5 до 30 МДж. MAST Upgrade направлен на разработку системы вытяжки плазмы или дивертора, способной выдерживать интенсивные силовые нагрузки, создаваемые термоядерными реакторами промышленного размера. Он получил первую плазму в октябре 2020 года.

В 2019 году правительство Великобритании выделило 22 миллиона фунтов стерлингов в течение четырех лет на концептуальный дизайн сферического токамака для производства энергии (STEP) в Калхэме. Технические цели STEP: обеспечение прогнозируемой чистой электроэнергии мощностью более 100 МВт; использовать термоядерную энергию помимо производства электроэнергии; обеспечить самообеспеченность тритием; квалифицировать материалы и компоненты в соответствующих условиях термоядерного синтеза нейтронного потока; и разработать реальный путь к доступным затратам в течение всего жизненного цикла.СТЭП планируется завершить в 2040 году.

Токамак Энергия

Tokamak Energy в Великобритании - частная компания, разрабатывающая сферический токамак, и надеется коммерциализировать его к 2030 году. Компания выросла из лаборатории Калхэма, где находится JET, и ее технология вращается вокруг высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, которые позволяют для относительно маломощных и малогабаритных устройств, но с высокой производительностью и потенциально широко распространенным коммерческим развертыванием. Его первый токамак с исключительно ВТСП магнитами - ST25 HTS, второй реактор Tokamak Energy - продемонстрировал непрерывную плазму в течение 29 часов во время летней научной выставки Королевского общества в Лондоне в 2015 году, что стало мировым рекордом.

Следующий реактор - ST40 в Милтон-парке в Оксфордшире, на котором первая плазма была получена в апреле 2017 года. После ввода в эксплуатацию дополнительных магнитных катушек он обеспечил температуру плазмы 15 миллионов градусов Цельсия в 2018 и 2019 годах. Главный исполнительный директор Tokamak Energy Дэвид Кингхэм сказал: «ST40 разработан для достижения температуры 100 миллионов градусов Цельсия и десятикратного снижения энергетической безубыточности». Компания работает с Принстонской лабораторией физики плазмы над сферическими токамаками и с Центром науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института над ВТСП магнитами.В июле 2020 года министерство бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании (BEIS) выделило ему 10 миллионов фунтов стерлингов в рамках правительственного проекта усовершенствованного модульного реактора. Эти средства пойдут на основные разработки в области высокотемпературных сверхпроводящих магнитов (ВТСП) и технологий системы вытяжки плазмы (дивертора). Дивертор должен выдерживать высокие уровни тепла и бомбардировки частицами при удалении примесей и отходов из системы. Он нацелен на создание прототипа для подачи электроэнергии в сеть к 2030 году.

KSTAR

KSTAR (корейский сверхпроводящий токамак-реактор) в Национальном исследовательском институте термоядерного синтеза (NFRI) в Тэджоне произвел первую плазму в середине 2008 года. Это пилотная установка для ИТЭР, предполагающая активное международное сотрудничество. Он будет спутником ИТЭР на этапе эксплуатации ИТЭР с начала 2020-х годов. Токамак с большим радиусом 1,8 метра является первым, в котором используются сверхпроводящие магниты из Nb3Sn, тот же материал, который будет использоваться в проекте ИТЭР. Первым этапом его развития до 2012 года было подтверждение базовых технологий эксплуатации и получение импульсов плазмы длительностью до 20 секунд.На втором этапе разработки (2013–2017 гг.) KSTAR был модернизирован для изучения длинных импульсов продолжительностью до 300 секунд в режиме H (цель 100 секунд была в 2015 году) и перехода в высокопроизводительный режим AT. В конце 2016 года он достиг 70 секунд в режиме высокопроизводительной плазменной резки, что является мировым рекордом. Кроме того, исследователям KSTAR также удалось создать альтернативный усовершенствованный режим работы плазмы с внутренним транспортным барьером (ITB). Это резкий градиент давления в ядре плазмы из-за усиленного удержания плазмы в ядре.В NFRI заявили, что это первая операция ITB, выполненная в сверхпроводящем устройстве при минимальной мощности нагрева. KSTAR Phase 3 (2018-2023) направлен на разработку высокопроизводительных, высокоэффективных технологий режима AT с длительными импульсами. На этапе 4 (2023–2025 гг.) Будут протестированы известные технологии, связанные с ДЕМО. Устройство не может работать с тритием, поэтому не будет использовать топливо D-T.

Токамак K-DEMO

В сотрудничестве с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США в Нью-Джерси и Южнокорейским национальным исследовательским институтом термоядерного синтеза (NFRI) K-DEMO призван стать следующим шагом на пути к коммерческим реакторам ИТЭР и станет первым завод, который фактически вносит мощность в электрическую сеть.Согласно PPPL, он будет генерировать «около 1 миллиарда ватт электроэнергии в течение нескольких недель подряд», что намного больше, чем цель ИТЭР по выработке 500 миллионов ватт в течение 500 секунд к концу 2020-х годов. Ожидается, что K-DEMO будет иметь токамак большого радиуса диаметром 6,65 м и модуль тестового бланкета в рамках НИОКР по разведению DEMO. Министерство образования, науки и технологий планирует инвестировать в проект около 1 триллиона вон (941 миллион долларов США). Около 300 миллиардов вон из этих расходов уже профинансированы.Правительство ожидает, что на первом этапе проекта будет задействовано около 2400 человек, который продлится в течение 2016 года. Ожидается, что у K-DEMO будет начальный этап эксплуатации примерно с 2037 по 2050 год для разработки компонентов для второго этапа, который будет производить электроэнергию.

ВОСТОК

В Китае экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) Института физических наук Хэфэй Китайской академии наук произвел водородную плазму при температуре 50 миллионов градусов Цельсия и удерживал ее в течение 102 секунд в 2017 году.В ноябре 2018 года она достигла отметки 100 миллионов градусов Цельсия за 10 секунд, потребляя 10 МВт электроэнергии. В июле 2020 года EAST достигла полностью неиндуктивной, управляемой током, установившейся плазмы в течение более 100 секунд, что было заявлено как прорыв со значительными последствиями для будущего Китайского испытательного реактора Fusion Engineering (CFETR). В мае 2021 года он установил новый мировой рекорд по достижению температуры плазмы 120 миллионов градусов Цельсия за 101 секунду. Эксперимент также показал температуру плазмы 160 миллионов градусов по Цельсию, продолжительностью 20 секунд.

TFTR

В США с 1982 по 1997 год в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) работал реактор Tokamak Fusion Test Reactor. DT. В следующем году TFTR произвел 10,7 МВт управляемой термоядерной мощности - рекорд по тем временам. TFTR установил и другие рекорды, в том числе достижение температуры плазмы 510 миллионов градусов по Цельсию в 1995 году.Однако он не достиг своей цели по безубыточной энергии термоядерного синтеза (где потребляемая энергия не превышает количество произведенной энергии термоядерного синтеза), но достиг всех своих целей проектирования оборудования, тем самым внося существенный вклад в развитие ИТЭР .

АЛКАТОР

В Массачусетском технологическом институте (MIT) с 1970-х годов серия небольших торовых реакторов с сильным магнитным полем ALCATOR (Alto Campus Torus) работает по принципу достижения высокого давления плазмы как пути к длительному удержанию плазмы.Утверждается, что Alcator C-Mod обладает самым высоким магнитным полем и самым высоким давлением плазмы среди всех термоядерных реакторов и является крупнейшим университетским термоядерным реактором в мире. Работал с 1993 по 2016 год. В сентябре 2016 года он достиг давления плазмы 2,05 атмосферы при температуре 35 миллионов градусов по Цельсию. Плазма производила 300 триллионов термоядерных реакций в секунду и имела центральную напряженность магнитного поля 5,7 тесла. Он пропускал 1,4 миллиона ампер электрического тока и обогревался мощностью более 4 МВт.Реакция происходила в объеме примерно 1 кубический метр, и плазма длилась две секунды. После достижения рекордной производительности термоядерного реактора государственное финансирование прекратилось.

Увеличенный вариант, который планируется построить в подмосковном Триоцке в сотрудничестве с Курчатовским институтом, - «Игнитор» с тором диаметром 1,3 м.

Большое спиральное устройство - стелларатор

Большое спиральное устройство (LHD) Японского национального института термоядерных исследований в Токи, префектура Гифу, было крупнейшим в мире стелларатором.LHD произвел свою первую плазму в 1998 году и продемонстрировал свойства удержания плазмы, сравнимые с другими крупными термоядерными устройствами. Он достиг ионной температуры 13,5 кэВ (около 160 миллионов градусов) и накопленной энергии плазмы 1,44 миллиона джоулей (МДж).

Стелларатор Wendelstein 7-X

После года испытаний это началось в конце 2015 года, и гелиевая плазма ненадолго достигла отметки около одного миллиона градусов по Цельсию. В 2016 году он перешел на использование водорода и, используя 2 МВт, достиг температуры плазмы 80 миллионов градусов по Цельсию за четверть секунды.W7-X является крупнейшим в мире стелларатором, и планируется, что он будет работать непрерывно до 30 минут. Это стоило 1 миллиард евро (1,1 миллиарда долларов).
Несколько хороших диаграмм есть в статье Business Insider Australia о Wendelstein 7-X.

Стелларатор Гелиак-1

В Австралийском центре исследований плазменного синтеза при Австралийском национальном университете стелларатор H-1 проработал несколько лет, а в 2014 году был значительно модернизирован. H-1 имеет доступ к широкому спектру конфигураций плазмы и позволяет исследовать идеи для улучшения магнитной конструкции термоядерных электростанций, которые последуют за ИТЭР.

National Ignition Facility - лазер

Самая мощная в мире установка для лазерного синтеза, Национальная установка зажигания (NIF) стоимостью 4 миллиарда долларов в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), была завершена в марте 2009 года. Используя свои 192 лазерных луча, NIF может производить более чем в 60 раз больше энергии. любой предыдущей лазерной системы к своей цели e . В июле 2012 года LLNL объявила, что в «историческом рекордном лазерном выстреле лазерная система NIF из 192 лучей обеспечила более 500 ТВт пиковой мощности и 1 луч.85 мегаджоулей (МДж) ультрафиолетового лазерного излучения на цель (диаметром 2 мм) "за несколько триллионных долей секунды. Сообщалось, что в сентябре 2013 года в NIF впервые количество энергии, высвобождаемой в результате реакции синтеза, превысило количество энергии, поглощаемой топливом, но не количества, поставляемого гигантскими лазерами. В опубликованной в 2014 году публикации говорится, что было выделено 17 кДж.

Более ранний высокомощный лазер в LLNL, Nova, был построен в 1984 году с целью воспламенения.Nova не смогла этого сделать и была закрыта в 1999 году, но предоставила важные данные, которые привели к созданию NIF. Nova также собрала значительные объемы данных по физике материи высокой плотности, которые полезны как для исследований в области термоядерной энергии, так и для исследования ядерного оружия.

В связи с NIF, LLNL разрабатывает лазерный инерционный термоядерный двигатель (LIFE), гибридную термоядерную систему, в которой нейтроны, возникающие в результате лазерного термоядерного синтеза, будут приводить в движение субкритический бланкет ядерного деления для выработки электроэнергии. Бланкет будет содержать либо обедненный уран; отработанное ядерное топливо; природный уран или торий; или плутоний-239, второстепенные актиниды и продукты деления из переработанного отработанного ядерного топлива 4 .

Лазер Mégajoule

Между тем Французская комиссия по атомной энергии (Commissariat à l'énergie atomique, CEA) с 2014 года эксплуатирует лазер аналогичного размера - Laser Mégajoule (LMJ) - недалеко от Бордо. несколько миллиардных долей секунды, сконцентрированные на небольшой мишени из дейтерия и трития. Опытный образец лазера Ligne d'Integration Laser (LIL) был введен в эксплуатацию в 2003 году.

SG-II

Китайская национальная лаборатория мощных лазеров и физики, связанная с Китайской академией наук, проводит эксперимент по инерционному удержанию лазера в Шанхае - восьмилучевую лазерную установку Shenguang-II (SG-II), аналогичную Национальной установке зажигания. в США и Laser Mégajoule во Франции.Это единственная в Китае мощная лазерная установка на неодимовом стекле с активным зондирующим светом. В 2005 году был добавлен девятый луч, что расширило возможности для исследований в области термоядерного синтеза. Объект SG-II является международной демонстрационной базой Китая в области мощных лазерных технологий.

Лазеры PETAL и HiPER

Лазерная установка Petawatt Aquitaine Laser (PETAL) - это высокоэнергетический многопетаваттный лазер (энергия 3,5 кДж с продолжительностью от 0,5 до 5 пс), строящийся недалеко от Бордо, на том же месте, что и LIL.PETAL будет совместно с LIL, чтобы продемонстрировать физику и лазерную технологию быстрого зажигания. Первые эксперименты ожидаются в 2012 году.

Центр исследования энергии лазеров высокой мощности (HiPER) разрабатывается с целью развития исследований, запланированных в рамках проекта PETAL. HiPER будет использовать лазер с длинными импульсами (в настоящее время оценивается в 200 кДж) в сочетании с лазером с короткими импульсами 70 кДж. Трехлетний подготовительный этап, начавшийся в 2008 году, предусматривает прямое финансирование или обязательства в натуральной форме на сумму около 70 миллионов евро от нескольких стран.Планируется, что этап рабочего проектирования начнется в 2011 году, а шестилетний этап строительства, возможно, начнется к 2014 году.

Z машина

Аппарат Z, которым управляет Sandia National Laboratories, является крупнейшим рентгеновским генератором в мире. Как и NIF, объект был построен в рамках национальной программы управления запасами, которая направлена ​​на поддержание запасов ядерного оружия без необходимости проведения полномасштабных испытаний.

Условия для плавления достигаются путем пропускания мощного электрического импульса f (продолжительностью менее 100 наносекунд) через набор тонких вольфрамовых проволок внутри металлического хохльраума g .Проволока превращается в плазму и испытывает сжатие («Z-пинч»), заставляя испаренные частицы сталкиваться друг с другом, создавая интенсивное рентгеновское излучение. Крошечный цилиндр, содержащий термоядерное топливо, помещенный внутри хольраума, поэтому будет сжат рентгеновскими лучами, что позволит осуществить термоядерный синтез.

В 2006 году машина Z достигла температуры более 2 миллиардов градусов, 6 значительно выше, чем требуется для синтеза, и теоретически достаточно высокой, чтобы обеспечить ядерный синтез водорода с более тяжелыми элементами, такими как литий или бор.

Другие термоядерные проекты

Многие другие проекты термоядерного синтеза находятся на разных стадиях разработки.

Локхид CFR . Lockheed Martin на своих так называемых «скунсовых заводах» разрабатывает компактный термоядерный реактор (CFR), который использует обычную плазму D-T в вакуумированной защитной оболочке, но ограничивает ее иначе. Вместо ограничения плазмы внутри трубчатых колец серия сверхпроводящих катушек будет генерировать новую геометрию магнитного поля, в которой плазма удерживается в более широких пределах всей реакционной камеры.Энергия поступает за счет радиочастотного нагрева. Сверхпроводящие магниты внутри катушек будут создавать магнитное поле вокруг внешней границы камеры. Цель состоит в том, чтобы давление плазмы было таким же большим, как и давление удержания при достаточно высокой температуре для воспламенения и получения чистой энергии. Теплообменники в стенке реактора будут передавать энергию газовой турбине. Он дошел до эксперимента по магнитному удержанию ионов, но ему еще предстоит пройти путь до любого прототипа, который, как они утверждают, будет намного меньше, чем традиционные конструкции, такие как токамак ИТЭР.

Национальное агентство Италии по новым технологиям, энергетике и устойчивому экономическому развитию (ENEA) разрабатывает небольшой реактор-токамак под названием Ignitor . В соответствии с итальянско-российским соглашением, подписанным в мае 2010 года, реактор будет собран в Италии и установлен в Троицком институте инноваций и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) под Москвой при Курчатовском институте 7 .

Альтернативой использованию мощных лазеров для термоядерного синтеза с инерционным удержанием является « термоядерный синтез тяжелых ионов », в котором высокоэнергетические частицы из ускорителя фокусируются с помощью магнитных полей на термоядерную мишень.Ускоритель NDCX-II (Neutralized Drift Compression Experiment II) используется для экспериментов по синтезу тяжелых ионов с 2012 года в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Его расширяют для доставки коротких интенсивных импульсов ионных пучков с кинетической энергией 1,2 МэВ. Эксперименты по физике высоких плотностей энергии (HEDP) с лабораторной плазмой - растущая часть физики инерционной термоядерной энергии (IFE).

LPP Fusion (Lawrenceville Plasma Physics) - американское предприятие, разрабатывающее анейтронный синтез с использованием устройства фокусировки плотной плазмы (DPF или focus fusion ) и водородно-борного топлива.Водород и бор (B-11) в виде плазмы сливаются при высокой температуре, образуя импульсный пучок ядер гелия без испускания нейтронов. (Бор и водород объединяются, образуя кратковременный промежуточный атом углерода-12, который быстро распадается на три альфа-частицы.) Этот заряженный пучок ионов высокой энергии генерирует электричество, проходя через ряд катушек, похожих на трансформатор, с эффективностью 80%. . Баланс энергии - это побочные рентгеновские лучи, которые улавливаются множеством фотоэлектрических рецепторов.LPP Fusion достиг энергии электронов 400 кэВ.

Другое направление исследований термоядерного синтеза с использованием лазеров также включает синтез водорода и бора-11 (HB11) для получения ядер гелия, которые продолжают цепную реакцию бора. Один лазер генерирует мощное магнитное ограничивающее поле в катушке, чтобы задержать реакцию синтеза на небольшой площади в течение наносекунды, в то время как второй, более мощный лазер, запускает процесс ядерного синтеза. Первые испытания термоядерного синтеза HB11 в пражской лазерной системе Asterix с использованием высокоэнергетических йодных лазеров дали больше энергии, чем необходимо для запуска процесса термоядерного синтеза.

Его разрабатывает

HB11 Energy в Австралии, цель которого - использовать нетепловую лазерную технологию для сплавления водорода и бора-11. Наносекундный лазерный импульс запускает реакцию синтеза H-B, затем второй лазер и емкостная катушка создают магнитное поле в килотесла, чтобы увеличить выход реакции. Этот шаг сейчас находится в центре внимания исследований. Выход дополнительно увеличивается за счет «лавинообразной» или цепной реакции с образованием ядер гелия, которые захватываются заряженной сферой диаметром не менее двух метров для непосредственного производства электричества без какого-либо парового контура.Альфа-частицы с энергией 2,9 МэВ представляют до 300 кВтч энергии на 15 мг топлива HB11.

Устройство Polywell («многогранник» в сочетании с «потенциальной ямой») состоит из магнитных катушек, расположенных в многогранной конфигурации с шести сторон, образующих куб. Облако электронов удерживается в середине устройства, чтобы иметь возможность ускорять и удерживать положительные ионы, подлежащие слиянию. Эта концепция электростатического удержания отличается от традиционного магнитного удержания, поскольку поля не должны удерживать ионы - только электроны.EMC2 Fusion Development Corporation изучает концепцию Polywell и рассматривает водород и бор в качестве топлива для анейтронного синтеза. Это последовало за несколькими годами разработки ВМС США с использованием дейтериевого топлива.

General Fusion - одна из нескольких частных попыток разработать коммерческую термоядерную электростанцию. Подход компании для синтеза намагниченной мишени (MTF) создает компактную тороидную плазму в инжекторе, содержащую и сжимающую ее с помощью магнитного поля, прежде чем инжектировать ее в камеру сферического сжатия.В камере находится жидкий свинцово-литиевый лайнер, который накачивается для создания вихря, в который впрыскивается плазменная мишень. Синхронизированная группа поршней, срабатывающих одновременно, создает в жидком металле сферическую волну сжатия, сжимая плазменную мишень и нагревая ее до состояния термоядерного синтеза. Основанная в Канаде в 2002 году, General Fusion финансируется синдикатом частных инвесторов, компаний венчурного капитала в области энергетики, государственных инвестиционных фондов и канадского государственного фонда Sustainable Development Technology Canada (SDTC).О дополнительном государственном гранте было объявлено в октябре 2018 года из Стратегического инновационного фонда. Компания продемонстрировала основные вехи, включая создание намагниченной плазмы сферомака на 200–300 эВ и удержание их на срок более 500 мкс.

Большая часть текущей работы над МОГ основана на программах Курчатовского института атомной энергии под руководством Е.П. Велихова, примерно в 1970 году. Это вдохновило проект LINUS в Военно-морской исследовательской лаборатории в США, а затем проект быстрого лайнера в США. Лос-Аламос.

General Atomics эксплуатирует токамак DIII-D в Сан-Диего для Министерства энергетики США с конца 1980-х годов. Он направлен на создание научной основы для оптимизации подхода токамаков к производству термоядерной энергии.

Холодный синтез

В марте 1989 года были сделаны впечатляющие заявления о другом подходе, когда два исследователя из США (Стэнли Понс) и Великобритании (Мартин Флейшманн) заявили, что достигли синтеза в простом настольном аппарате, работающем при комнатной температуре.«N-Fusion», или «холодный синтез», включает электролиз тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия, как говорят, концентрируются с очень высокой плотностью. Исследователи утверждали, что выделяется тепло, которое можно объяснить только ядерными процессами, а также побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось воспроизвести это, и большая часть научного сообщества больше не считает это реальным явлением.

Ядерные реакции низких энергий (LENR)

Инициированные заявлением о «холодном синтезе», исследования на уровне нанотехнологий продолжаются по низкоэнергетическим ядерным реакциям (LENR), которые, по-видимому, используют слабые ядерные взаимодействия (а не сильные взаимодействия, как в ядерном делении или синтезе) для создания низкоэнергетических нейтронов. с последующими процессами захвата нейтронов, приводящими к изотопному изменению или трансмутации, без испускания сильного мгновенного излучения.Эксперименты LENR включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают, что выделяемая энергия, хотя и на любой воспроизводимой основе, очень немногим больше, чем вводится. Основным практическим примером является порошок водорода и никеля, который, очевидно, дает больше тепла, чем можно объяснить с помощью каких-либо химических оснований.

Правительство Японии спонсирует исследования LENR - в частности, проект водородной энергетики из нанометаллов (MHE) - через свою Организацию по развитию новой энергии и промышленных технологий (NEDO), и Mitsubishi также принимает активное участие в исследованиях.В течение 2015–2019 годов Google профинансировал 30 исследователей в трех проектах и ​​не нашел доказательств того, что LENR возможен, но они добились определенных успехов в методах измерения и материаловедения. Были некоторые признаки того, что два проекта, связанных с палладием, заслуживают дальнейшего изучения.

Оценка мощности термоядерного синтеза

Использование термоядерных электростанций могло бы существенно снизить воздействие на окружающую среду растущего мирового спроса на электроэнергию, поскольку, как и ядерная энергия деления, они не будут способствовать кислотным дождям или парниковому эффекту.Термоядерная энергия может легко удовлетворить потребности в энергии, связанные с продолжающимся экономическим ростом, с учетом доступности топлива. Не существует опасности реакции неконтролируемого термоядерного синтеза, поскольку это невозможно по сути, и любая неисправность приведет к быстрому останову установки.

Однако, хотя термоядерный синтез не приводит к образованию долгоживущих радиоактивных продуктов, а несгоревшие газы можно обрабатывать на месте, возникнет краткосрочная и среднесрочная проблема с радиоактивными отходами из-за активации конструкционных материалов.Некоторые материалы компонентов станут радиоактивными в течение срока службы реактора из-за бомбардировки нейтронами высокой энергии и в конечном итоге станут радиоактивными отходами. Объем таких отходов был бы аналогичен соответствующему объему от реакторов деления. Однако долговременная радиотоксичность отходов термоядерного синтеза будет значительно ниже, чем токсичность актинидов в отработанном топливе ядерного деления, и с отходами продуктов активации следует обращаться во многом так же, как и с отходами реакторов деления, проработавших несколько лет. 8 .

Есть и другие проблемы, в основном связанные с возможным выбросом трития в окружающую среду. Он радиоактивен, и его очень трудно удержать, поскольку он может проникать в бетон, резину и некоторые марки стали. Как изотоп водорода, он легко включается в воду, что делает воду слаборадиоактивной. При периоде полураспада около 12,3 года присутствие трития остается угрозой для здоровья в течение примерно 125 лет после его образования в виде газа или воды, если оно присутствует в больших количествах.Его можно вдыхать, всасывать через кожу или проглатывать. Вдыхаемый тритий распространяется по мягким тканям, и содержащая тритий вода быстро смешивается со всей водой в организме. Несмотря на то, что в термоядерном реакторе имеется лишь небольшой запас трития - несколько граммов, каждый из них, вероятно, может высвободить значительные количества трития во время работы из-за обычных утечек, если предположить, что это лучшие системы удержания. Авария может выпустить еще больше. Это одна из причин, по которой в долгосрочной перспективе возлагаются большие надежды на процесс синтеза дейтерия и дейтерия без использования трития.

Хотя очевидно, что термоядерная энергия может многое предложить, когда технология в конечном итоге будет разработана, проблемы, связанные с ней, также необходимо решить, чтобы она стала широко используемым источником энергии в будущем.


Примечания и ссылки

Банкноты

а. Ядро дейтерия (D) состоит из одного протона и одного нейтрона, тогда как у водорода только один протон. Тритий (Т) имеет один протон и два нейтрона. Когда ядра D и T сливаются, образуется гелий-4 (два протона и два нейтрона) вместе со свободным нейтроном.17,6 МэВ энергии, выделяющейся в реакции синтеза, принимает форму кинетической энергии, гелий имеет 3,5 МэВ, а нейтрон - 14,1 МэВ. Продукты реакции плавления имеют общую массу, которая немного ниже, чем у исходных материалов (D и T), это уменьшение массы было преобразовано в энергию согласно E = mc 2 . [Назад]

г. Тритий можно получить путем бомбардировки лития-6 нейтронами любой энергии. Когда литий-6 (три протона, три нейтрона) поглощает нейтрон, он распадается на гелий (два протона, два нейтрона) и тритий (один протон, два нейтрона) вместе с выделением 4.8 МэВ энергии. Тритий также может быть произведен из более распространенного лития-7 из нейтронов высоких энергий. Следовательно, природный литий можно использовать для производства трития в термоядерном реакторе. По данным Европейской комиссии 1 : «Для термоядерной установки мощностью 1 ГВт потребуется около 100 кг дейтерия и 3 тонны природного лития для работы в течение всего года, что позволит вырабатывать около 7 миллиардов кВтч». [Назад]

г. Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA) было создано, чтобы обеспечить основу для исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием в Европейском союзе и Швейцарии.[Назад]

г. У Принстонской лаборатории физики плазмы есть веб-страница на TFTR [Назад]

e. Первые эксперименты по синтезу с инерционным удержанием в NIF (см. Https://lasers.llnl.gov/science/icf) будут использовать метод «непрямого привода», который отличается от метода «прямого привода», описанного в основном тексте. В методе непрямого возбуждения лазеры фокусируются на золотой полости (известной как hohlraum ), содержащей топливную таблетку. Лазеры быстро нагревают внутреннюю поверхность хольраума, генерируя рентгеновские лучи, которые вызывают сдувание поверхности капсулы, в свою очередь, заставляя капсулу с горючим взорваться так же, как если бы в нее попали прямые лазеры.Есть надежда, что NIF станет первым лазером, в котором энергия, выделяемая из термоядерного топлива, превысит энергию лазера, используемую для реакции термоядерного синтеза. [Назад]

ф. Аппарат Z был разработан для подачи импульсов рентгеновского излучения мощностью 50 тераватт, но усовершенствования позволили получить импульсы мощностью 290 тераватт. После капитального ремонта в 2007 году электрический импульс Z-машины был увеличен с 18 миллионов ампер до 26 миллионов ампер, передаваемых за несколько наносекунд. [Назад]

г. hohlraum - это металлическая полость, используемая в методах «непрямого возбуждения» для термоядерного синтеза с инерционным ограничением - см. Примечание е выше.[Назад]

Список литературы

1. Fusion Research: An Energy Option for Europe's Future, Генеральный директорат по исследованиям, Европейская комиссия, 2007 г. (ISBN: 92738) [Назад]
2. Заявление доктора Раймонда Л. Орбаха, заместителя секретаря по науке и директора Управления науки Министерства энергетики США (22 мая 2008 г.) [Назад]
3. Национальный центр зажигания произвел беспрецедентный лазерный выстрел в 1 мегаджоуль, пресс-релиз Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (27 января 2010 г.)
4.ЖИЗНЬ: Страница «Чистая энергия из ядерных отходов» на веб-сайте Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (www.llnl.gov) [Назад]
5. Z производит термоядерные нейтроны, подтверждают ученые Sandia, пресс-релиз Sandia National Laboratories (7 апреля 2003 г.)
6. Аппарат Z Сандии превышает два миллиарда градусов Кельвина, пресс-релиз Sandia National Laboratories (8 марта 2006 г.) [Назад]
7. Новый проект по термоядерному зажиганию, Новости Массачусетского технологического института (10 мая 2010 г.) [Назад]
Новый рекорд по термоядерному воспламенению, MIT News (14 октября 2016 г.)
8.Безопасность и воздействие термоядерного синтеза на окружающую среду, И. Кук, Г. Марбах, Л. Ди Пейс, К. Жирар, Н. П. Тейлор, EUR (01) CCE-FU / FTC 8/5 (апрель 2001 г.) [Назад]

Общие источники

Сайт ИТЭР (www.iter.org)
Сайт JET
Culham Center for Fusion Energy (ранее UKAEA Culham) веб-сайт (www.ccfe.ac.uk)
Веб-сайт Национального центра зажигания (https://lasers.llnl.gov)
Сайт HiPER (www.hiper-laser.org)
Информационный веб-сайт European Fusion Network (https: // www.fusenet.eu/)
Веб-сайт программы Fusion Energy Sciences (FES) Управления науки Министерства энергетики США (https://science.energy.gov/fes/)
Веб-сайт исследования больших спиральных устройств
Деятельность HiPER, Nuclear Engineering International (ноябрь 2008 г.)
Быстрый путь к термоядерной энергии , Майкл Х. Ки, Nature 412, 775-776 (23 августа 2001 г.)
Статья Lockheed CFR, Aviation Week (октябрь 2014)
Магнито-инерционный синтез, Г.А. Вурден, и др. , Журнал термоядерной энергии, том 35, выпуск 1, 69-77 (февраль 2016)
Почему синтез с намагниченной мишенью предлагает недорогой путь развития термоядерной энергии, Ричард Э.Симон, Ирвин Р. Линдемут и Курт Ф. Шенберг, Национальная лаборатория Лос-Аламоса (отправлено в Комментарии по физике плазмы и управляемому синтезу , 12 ноября 1997 г.)
Реактор синтеза с магнитной мишенью с акустическим приводом, Мишель Лаберж, General Fusion Inc., Journal of Fusion Energy, Volume 27, 65-68 (июнь 2008)
Стабилизированные взрывы жидких лайнеров для повторяющегося сжатия плазменных мишеней, Питер Дж. Турчи, представленный на семинаре ARPA-E по драйверам для недорогих разработок на пути к экономичному термоядерному синтезу 29-30 октября 2013 г.)
Производство электроэнергии с помощью LENR, Стивен Кривит (февраль 2017 г.)
Новый источник энергии с использованием низкоэнергетического синтеза водорода, Эдмунд Стормс, Наука об окружающей среде: Индийский журнал, Том 13, Выпуск 2 (март 2017 г.) )

Продолжается гонка за создание коммерческого термоядерного реактора

НЕДАВНАЯ ШУТКА о ядерном синтезе - которая состоится через 30 лет и всегда будет - так хорошо известна, что The Economist Научный редактор журнала запрещает корреспондентам повторять его.Никто не сомневается, что устойчивый термоядерный синтез в принципе возможен. Он приводит в действие каждую звезду во Вселенной. Однако заставить его работать на Земле оказалось сложнее. Инженеры пытались это сделать с 1950-х годов, но пока безуспешно. Последняя и самая крупная попытка - ITER , многонациональный испытательный реактор на юге Франции - строилась в течение 11 лет и на десятки миллиардов долларов превышает его первоначальный бюджет в 6 миллиардов долларов.

Послушайте эту историю

Ваш браузер не поддерживает элемент

Больше аудио и подкастов на iOS или Android.

Но этот рекорд не тревожит растущую группу энтузиастов «альтернативного синтеза». За счет сочетания новых технологий и предпринимательской дерзости они надеются превзойти ITER . 17 июня одна из них, канадская фирма General Fusion, вложила деньги своих инвесторов туда, где ей хотелось. Он заявил, что построит демонстрационный реактор, размером 70% от размера полномасштабного коммерческого реактора, в Калхэме, на территории Калхэмского центра термоядерной энергии, британской национальной лаборатории термоядерных исследований.Как и ITER , он надеется, что его реактор будет запущен к 2025 году.

Power play

По крайней мере на бумаге термоядерный синтез привлекателен. Существующие ядерные установки полагаются на деление - расщепление тяжелых атомов, обычно урана, на более легкие. Высвобождаемая таким образом энергия используется для кипячения воды в пар, который затем превращает турбины, вырабатывающие электричество. Термоядерные растения пытаются делать противоположное, генерируя тепло, объединяя легкие атомы в более тяжелые.

В отличие от угля или природного газа, термоядерный синтез не производит углекислый газ, нагревающий планету.В отличие от солнечных батарей и ветряных турбин, термоядерные установки могли работать в любую погоду. В отличие от ядерных установок, они не представляют риска распространения технологии ядерного оружия и должны производить гораздо меньше радиоактивных отходов. Они также обеспечивают безопасность. «Я люблю говорить, что расщепление легко начать и трудно остановить», - говорит Кристофер Моури, руководитель General Fusion. «Fusion - все наоборот».

Fusion сложно запустить, потому что он требует экстремальных условий. Большинство термоядерных реакторов на Земле нацелено на объединение дейтерия с тритием.(Оба являются изотопами водорода, в которых к единственному протону в ядре этого элемента присоединяются один или два нейтрона.) Протоны имеют положительный электрический заряд, и подобные заряды отталкиваются. Следовательно, убедить два атома объединить силы означает преодолеть это отталкивание. А это требует много энергии.

Идея General Fusion состоит в том, чтобы найти золотую середину между двумя существующими подходами, термоядерным синтезом с магнитным удержанием ( MCF ) и термоядерным синтезом с инерционным удержанием ( ICF ), с меньшей потребностью в героической инженерии, чем любой другой. ITER представляет собой реактор MCF в форме пончика, называемый токамаком. Он предназначен для использования тщательно контролируемых магнитных полей высокой интенсивности, чтобы нагреть водородную плазму до сотен миллионов градусов Цельсия, а затем удерживать эту плазму в стабильном состоянии, пока ее атомы соединяются. Хитрость заключается в том, чтобы контролировать поля достаточно точно, чтобы сверхгорячая плазма удерживалась вместе достаточно долго, чтобы произошло значительное количество термоядерного синтеза. Текущий рекорд экспериментального реактора во Франции составляет шесть с половиной минут.Цель ITER - реакция, которая длится до десяти минут.

ICF отказывается от сложных магнитных полей в пользу сверхмощных лазеров. В таких экспериментах, как National Ignition Facility в Калифорнии, используются тщательно рассчитанные по времени импульсы, чтобы разбивать топливные гранулы со всех сторон, нагревая их до температур, аналогичных температурам в установках MCF , но также сжимая их за счет приложения давления в миллиарды атмосфер. Благодаря этому давлению расплавление происходит намного быстрее.Есть надежда, что однажды полезное количество энергии может быть произведено и собрано за крошечные доли секунды, прежде чем оторвавшаяся гранула разлетится на части. И снова, однако, правильное управление лазерами и обеспечение равномерного сжатия гранулы оказалось сложной задачей.

General Fusion называет свой собственный подход «синтез с магнитной мишенью». Основная концепция восходит к 1960-м годам. В реакторе компании, по словам г-на Моури, устранено магнитное удержание за счет использования мощных электрических импульсов для создания самостабилизирующихся сгустков плазмы, которые вводятся в активную зону реактора.Он сравнивает это с выдуванием дымового кольца, в котором воздушные потоки внутри кольца позволяют ему сохранять свою форму в течение нескольких секунд, прежде чем он рассеется.

Фактически, потоки плазмы длятся около 20 миллисекунд. Этого было бы недостаточно для извлечения большого количества энергии, если бы они были введены в реактор MCF . Но этого достаточно, чтобы их сжать, как в машине ICF , и с помощью чего-то гораздо менее экзотического, чем ряд современных лазеров. Активная зона британского реактора General Fusion будет облицована расплавленным литием и свинцом.После впрыска струи плазмы ряды поршней с газовым приводом будут сжимать ядро, превращая его из цилиндра в сферу и резко увеличивая скорость синтеза (см. Диаграмму).

Но в то время как лазерное сжатие происходит всего за миллиардные доли секунды, General Fusion требует тысячных долей - сравнимо с временными рамками, в которых работают двигатели внутреннего сгорания, и вполне в пределах возможностей цифровой электроники по точной настройке. В результате, как надеется компания, будет реактор, который должен быть дешевле и проще в сборке и эксплуатации, чем установка MCF или ICF .

Критическая масса

Помимо сжатия плазмы, жидкометаллическая оболочка служит для улавливания энергии реакции. Нагретый металл будет подводиться к теплообменнику и использоваться для подъема пара. Тем временем нейтроны от реакции термоядерного синтеза превратят часть лития в большее количество тритиевого топлива, которое в противном случае было бы редким и дорогим. Или, по крайней мере, однажды. Для простоты демонстрационный реактор General Fusion будет синтезировать только дейтерий с дейтерием.

Тем не менее, фирма надеется, что полноценный коммерческий реактор, который может быть построен в начале 2030-х годов, сможет конкурировать с другими видами электроэнергии.Он нацелен на цену в 50 долларов за мегаватт-час, что, по словам Моури, должно сделать его конкурентоспособным с углем. Он признает, что возобновляемые источники энергии могут оказаться дешевле, но этому мешает периодичность. И у станции будет еще одно преимущество перед существующими установками деления, выработку электроэнергии на которых невозможно быстро увеличить или уменьшить. Реактор General Fusion может увеличивать или уменьшать выходную мощность в десять раз за счет изменения скорости цикла активной зоны. Это должно позволить ему «следовать за нагрузкой», увеличивая производство, когда цены на электроэнергию высокие, и сокращая, когда они низкие.

И General Fusion - не единственная фирма, занимающаяся коммерческим синтезом. 8 апреля TAE Technologies, конкурент из Калифорнии, основанная в 1998 году, заявила, что привлекла 280 миллионов долларов на собственный демонстрационный реактор, в результате чего общая сумма инвестиций в фирму составила 1,1 миллиарда долларов (см. Диаграмму). Как и General Fusion, TAE основан на затяжках самостабилизирующейся плазмы. В отличие от General Fusion, он нацелен на производство электричества путем объединения водорода с бором, процесса, который требует температуры в миллиарды градусов, но требует меньшей защиты от излучения.

Другими конкурентами General Fusion являются две британские фирмы First Light Fusion и Tokamak Energy, базирующиеся недалеко от Калхэма, и пара американских, Commonwealth Fusion Systems и Zap Energy. Правительства также не кладут все свои яйца в корзину ITER . Институт физики плазмы им. Макса Планка, правительственное учреждение Германии, пытается построить электростанцию ​​на основе устройства, называемого «стелларатор» - вариации подхода MCF . Его устройство Wendelstein-7 X начало работу в 2015 году.А реактор STEP Центра термоядерной энергии Калхэма, открытие которого запланировано на 2040 год, призван продемонстрировать коммерческую практичность термоядерного синтеза. Одна из причин, по которой General Fusion выбрала Калхэма, говорит Стивен Дин, управляющий Fusion Power Associates, исследовательским и образовательным фондом, работающим в этой области, заключается в том, что эта лаборатория сосредоточена на быстром выходе на рынок.

Со своей стороны, доктор Дин не видит фундаментальной причины, по которой одному или нескольким из нынешних претендентов не удастся построить реактор, генерирующий полезное количество энергии.Но последнее слово будет за экономикой, а не физикой. Высокотехнологичные термоядерные реакторы, если они когда-либо будут построены, должны будут конкурировать в мире, в котором цены на солнечную и ветровую энергию неуклонно падают. Тем временем компании, работающие на ископаемом топливе, пытаются решить, как улавливать и захоронить углекислый газ, выбрасываемый их электростанциями. Усовершенствованные реакторы деления вызывают собственный интерес - 2 июня компания TerraPower, поддерживаемая Биллом Гейтсом, основателем Microsoft, объявила о планах строительства высокотехнологичной атомной электростанции в Вайоминге.Вся эта конкуренция - хорошие новости в теплом мире. Но это обещает инвесторам легкую поездку. ■

Версия этой статьи была опубликована в сети 23 июня 2021 года.

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Семь десятых желтого солнца»

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *