Factorul de câștig al energiei de fuziune

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Factorul de câștig al energiei de fuziune , exprimat de obicei ca simbolul Q , este raportul dintre puterea de fuziune produsă într-un reactor de fuziune nucleară și puterea necesară pentru menținerea plasmei în stare de echilibru. Starea lui Q = 1, atunci când puterea eliberată de reacțiile de fuziune este egală cu puterea de încălzire necesară, se numește breakeven sau, în unele surse, breakeven științific.

Energia eliberată de reacțiile de fuziune poate fi captată în combustibil, ducând la autoîncălzire. Majoritatea reacțiilor de fuziune eliberează cel puțin o parte din energia lor într-o formă care nu poate fi capturată în plasmă, astfel încât un sistem Q = 1 se va răci fără încălzire externă. În cazul combustibililor tipici, autoîncălzirea în reactoarele de fuziune nu trebuie să se potrivească surselor externe până la cel puțin Q = 5. Dacă Q crește dincolo de acest punct, creșterea autoîncălzirii elimină în cele din urmă necesitatea încălzirii externe. În acest moment, reacția devine autosuficientă, o afecțiune numită aprindere. Aprinderea corespunde infinitului Q și este considerată, în general, extrem de dorită pentru proiectele practice de reactoare de fuziune nucleară.

De-a lungul timpului, mai mulți termeni înrudiți au intrat în lexiconul fuziunii. Energia care nu este capturată în combustibil poate fi captată extern pentru a produce electricitate. Această electricitate poate fi utilizată pentru a încălzi plasma la temperaturi de funcționare. Un sistem autoalimentat în acest mod este denumit funcționare la pauzele tehnice. Funcționând deasupra nivelului de rentabilitate tehnic, o mașină ar produce mai multă energie electrică decât folosește și ar putea vinde acest exces. Unul care vinde suficientă energie electrică pentru a-și acoperi costurile de exploatare este uneori cunoscut ca o reducere economică. În plus, combustibilii de fuziune, în special tritiul , sunt foarte scumpi, așa că se efectuează multe experimente pe diferite gaze de testare, cum ar fi hidrogenul sau deuteriul . Se spune că un reactor care funcționează cu acești combustibili funcționează la un echilibru extrapolat dacă atinge condiții de echilibru odată cu introducerea tritiului.

Până în 2017, valoarea record de Q a fost obținută din Marea Britanie JET Tokamak, cu Q = (16 MW) / (24 MW) ≈ 0,67, realizat pentru prima dată în 1997. Cea mai mare valoare puntele extrapolata este publicat de JT-60 Testul tokamak, cu Q ext = 1,25, îmbunătățind ușor 1,14 din JET. ITER a fost inițial conceput pentru a obține aprinderea, dar în prezent este conceput pentru a atinge Q = 10, producând 500 MW de putere de fuziune de la 50 MW de putere termică introdusă.

Q concept

Q este pur și simplu comparația puterii eliberate de reacțiile de fuziune într-un reactor, P fus , cu puterea de încălzire constantă furnizată, P căldură . Cu toate acestea, există mai multe definiții ale rentabilității care iau în considerare pierderile suplimentare de putere.

Punct de echilibru

În 1955, John Lawson a fost primul care a explorat în detaliu mecanismele de echilibrare a energiei, inițial în lucrări clasificate, dar publicate deschis într-o lucrare acum celebră din 1957. În acest articol, el a analizat și rafinat activitatea cercetătorilor anteriori, în special Hans Thirring , Peter Thonemann și un articol de recenzie de Richard Post. Extindând toate aceste aspecte, lucrarea lui Lawson a făcut predicții detaliate despre cantitatea de energie care ar fi pierdută prin diferite mecanisme și a comparat-o cu energia necesară pentru a susține reacția. Acest echilibru este acum cunoscut sub numele de criteriul Lawson .

Într-un design de succes al reactorului de fuziune, reacțiile de fuziune generează o cantitate de putere numită P fus . O parte din această energie, numită pierdere de P , se pierde printr-o varietate de mecanisme, în principal prin convecția combustibilului pe pereții camerei reactorului, plus diferite forme de radiații care nu pot fi captate pentru a genera energie. Pentru a menține reacția merge, sistemul trebuie să asigure o încălzire pentru a compensa aceste pierderi, în cazul în care pierderea P = P căldură pentru a menține echilibrul termic.

Cea mai de bază definiție a egalității este atunci când Q = 1, adică P fus = P căldură .

Unele lucrări se referă la această definiție ca o legătură științifică, pentru ao contrasta cu termeni similari. [1] [2] Cu toate acestea, această utilizare este rară în afara unor zone, în special în domeniul fuziunii de închidere inerțială , unde termenul este mult mai utilizat.

Pauză extrapolată

Începând cu anii 1950, majoritatea proiectelor de reactoare de fuziune comerciale s-au bazat pe un amestec de deuteriu și tritiu ca combustibil principal; alți combustibili au caracteristici atractive, dar sunt mult mai greu de aprins. Deoarece tritiul este radioactiv, foarte bioactiv și foarte mobil, acesta reprezintă o preocupare semnificativă de siguranță și se adaugă la costul proiectării și funcționării unui astfel de reactor.

Pentru a reduce costurile, multe mașini experimentale sunt proiectate să funcționeze pe combustibili de testare pe bază de hidrogen sau deuteriu, cu excepția tritiului. În acest caz, termenul extragere extrapolată este utilizat pentru a defini performanța așteptată a mașinii care funcționează pe combustibil DT pe baza performanței când rulează numai cu hidrogen sau deuteriu. [3]

Înregistrările de echilibru extrapolate sunt ușor mai mari decât înregistrările de echilibru științific. Atât JET cât și JT-60 au atins valori în jur de 1,25 (a se vedea mai jos pentru detalii) în timp ce funcționau cu combustibil DD. Când rulați pe DT, este posibil doar în JET, performanța maximă este de aproximativ jumătate din valoarea extrapolată.

Extragere tehnică

Un alt termen înrudit, rentabilitatea tehnică, ia în considerare necesitatea extragerii de energie din reactor, transformarea acestuia în energie electrică și alimentarea unei părți din ea înapoi în sistemul de încălzire. [3] Această buclă închisă care trimite electricitatea din topitură la sistemul de încălzire este cunoscută sub numele de recirculare . În acest caz, definiția de bază se modifică prin adăugarea de termeni suplimentari pe partea P fus pentru a lua în considerare eficiența acestor procese.

Reacțiile DT își eliberează cea mai mare parte a energiei sub formă de neutroni și o cantitate mai mică prin particule încărcate , în special particule alfa . Neutronii sunt neutri din punct de vedere electric și se deplasează netulburat în afara oricărui design de închidere magnetică. În ciuda densităților foarte mari de materie găsite în modelele de fuziune de confinare inerțială (ICF), acestea tind să scape cu ușurință de masa de combustibil chiar și în aceste modele. Aceasta înseamnă că numai particulele încărcate ale reacțiilor pot fi captate în masa combustibilului și pot da naștere la autoîncălzire. Dacă fracția de energie eliberată în particulele încărcate este f ch , atunci puterea acestor particule este P ch = f ch P fus . Dacă acest proces de autoîncălzire este perfect, adică tot P ch este captat în combustibil, aceasta înseamnă că puterea disponibilă pentru a genera electricitate este cea care nu este eliberată în această formă sau (1 - f ch ) P fus .

În cazul neutronilor care transportă cea mai mare parte a energiei practice, ca și în cazul combustibilului DT, această energie neutronică este captată în mod normal de un fel de „pătură” de litiu care produce mai mult tritiu, care este la rândul său utilizat pentru alimentarea reactorului . Datorită diverselor reacții exoterme și endotermice , pătura poate avea un factor de câștig de putere M R. M R este de obicei de ordinul 1.1 la 1.3, ceea ce înseamnă că produce o cantitate mică de energie. Rezultatul net, cantitatea totală de energie eliberată în mediu și, prin urmare, disponibilă pentru producerea de energie este denumită P R , puterea netă a reactorului.

Capacul de litiu este apoi răcit și fluidul de răcire este utilizat într-un schimbător de căldură , acționând turbine convenționale și generatoare de abur. Această energie electrică este apoi alimentată înapoi în sistemul de încălzire. Fiecare dintre acești pași din lanțul de generație are o eficiență de luat în considerare. În cazul sistemelor de încălzire cu plasmă, este de ordinul 60-70%, în timp ce sistemele moderne de generație bazate pe ciclul Rankine au în jur de 35-40%. Combinându-le, obținem o eficiență netă a ciclului de conversie a puterii în ansamblu, , de aproximativ 0,20-0,25. Adică aproximativ 20-25% din poate fi repus în circulație.

Prin urmare, factorul de câștig al energiei de fuziune necesar pentru a obține un nivel de rentabilitate tehnic este definit ca:

Pentru a înțelege cum este utilizat, luați în considerare un reactor care funcționează la 20 MW și Q = 2. Q = 2 la 20 MW implică căldura P este de 10 MW. Din acei 20 MW originali, aproximativ 20% este alfa, deci presupunând că este captată complet, 4 MW de căldură P sunt auto-alimentați. Avem nevoie de un total de 10 MW de încălzire și obținem 4 prin alfa, deci avem nevoie de încă 6 MW de putere. Din cei 20 MW de putere inițiali, 4 MW au rămas în combustibil, deci avem 16 MW de putere netă. Folosind M R de 1,15 pentru pătură, obținem P R de aproximativ 18,4 MW. Presupunând o valoare de 0,25, care necesită 24 MW P R , un reactor la Q = 2 nu poate atinge valoarea de rentabilitate tehnică. La Q = 4, sunt necesari 5 MW de încălzire, dintre care 4 din fuziune, lăsând 1 MW de putere externă necesară, care poate fi generată cu ușurință din puterea netă de 18,4 MW. Deci, pentru acest proiect teoretic, Q E este între 2 și 4.

Având în vedere pierderile și eficiențele din lumea reală, valorile Q între 5 și 8 sunt, în general, listate pentru dispozitivele de confinare magnetică, în timp ce dispozitivele inerțiale au valori semnificativ mai mici pentru și, prin urmare, necesită valori Q E mult mai mari, de ordinul 50 până la 100. [4]

Declanșator

Pe măsură ce temperatura plasmei crește, viteza reacțiilor de fuziune crește rapid și, odată cu aceasta, viteza de autoîncălzire. În schimb, pierderile de energie necaptive, cum ar fi razele X, nu cresc în același ritm. Deci, în termeni generali, procesul de autoîncălzire devine mai eficient pe măsură ce temperatura crește și este necesară mai puțină energie din surse externe pentru a-l menține cald.

În cele din urmă, căldura P ajunge la zero, adică toată energia necesară pentru a menține plasma la temperatura de funcționare este furnizată prin autoîncălzire și cantitatea de energie externă care trebuie adăugată scade la zero. Acest punct este cunoscut sub numele de aprindere sau amorsare. În cazul combustibilului DT, unde doar 20% din energie este eliberată sub formă de alfa care dă naștere la autoîncălzire, acest lucru nu se poate întâmpla până când plasma nu eliberează de cel puțin cinci ori puterea necesară pentru a o menține la temperatura sa de lucru. .

Aprinderea, prin definiție, corespunde unui Q infinit, dar acest lucru nu înseamnă că f recirc scade la zero, deoarece celelalte absorbtoare de putere din sistem, cum ar fi magneții și sistemele de răcire, trebuie încă alimentate. De obicei, cu toate acestea, acestea sunt mult mai mici decât energia în încălzitoare și necesită f recirc. Mai important, acest număr este mai probabil să fie aproape constant, ceea ce înseamnă că îmbunătățiri suplimentare ale performanței plasmei se vor traduce în mai multă energie care poate fi utilizată direct pentru generarea comercială, în comparație cu recircularea.

Cravată comercială

Definiția finală a nivelului de rentabilitate este rentabilitatea comercială, care apare atunci când valoarea economică a oricărei energii nete rămase după recirculare este suficientă pentru a plăti reactorul. [3] Această valoare depinde atât de costul de capital al reactorului, cât și de orice costuri de finanțare aferente, de costurile de funcționare ale acestuia, inclusiv combustibilul și întreținerea, și de prețul spot al energiei electrice. [5]

Nivelul de rentabilitate comercial se bazează pe factori externi tehnologiei reactorului în sine și este posibil ca chiar și un reactor cu o plasmă aprinsă complet care funcționează mult dincolo de egalitatea tehnică să nu genereze suficientă energie electrică suficient de rapid pentru a se plăti pentru sine. Dacă vreunul dintre conceptele principale, cum ar fi ITER, poate realiza acest lucru, este supus dezbaterii pe teren.

Exemplu practic

Majoritatea proiectelor de reactoare de fuziune studiate în 2017 se bazează pe reacția DT (deuteriu-tritiu), deoarece aceasta este de departe cea mai ușor de aprins și este densă cu energie. Cu toate acestea, această reacție emite, de asemenea, cea mai mare parte a energiei sale sub forma unui neutron unic, foarte energic și doar 20% din energie sub formă de alfa. Prin urmare, pentru reacția DT, f ch = 0,2. Aceasta înseamnă că autoîncălzirea nu devine egală cu încălzirea externă cel puțin până la Q = 5.

Valorile eficienței depind în mare măsură de detaliile de proiectare, dar pot fi incluse în intervalul η căldură = 0,7 (70%) și η elec = 0,4 (40%). Scopul unui reactor de fuziune este de a produce energie și nu de a o recircula, astfel încât un reactor practic trebuie să aibă f recirc = aproximativ 0,2. Mai jos ar fi mai bine, dar va fi un obiectiv dificil de atins. Folosind aceste valori găsim pentru un reactor practic o valoare de Q = 22.

Având în vedere ITER, avem un design care produce 500 MW de putere pe 50 MW de alimentare. Dacă 20% din putere se autoîncălzește, înseamnă o valoare de ieșire de 400 MW. Presupunând aceeași η căldură = 0,7 și η elec = 0,4 ITER (în teorie) ar putea produce până la 112 MW de încălzire. Aceasta înseamnă că ITER ar funcționa într-un nivel tehnic echivalent. Cu toate acestea, ITER nu este echipat cu sisteme de extracție a energiei, deci acest aspect ar trebui să rămână teoretic doar până la realizarea mașinilor ulterioare, cum ar fi DEMO .

Funcționare tranzitorie și continuă

Multe dispozitive timpurii de fuziune au funcționat doar pentru câteva microsecunde, folosind o sursă de energie pulsată pentru a alimenta sistemul de confinare magnetică în timp ce utilizează compresia de confinare ca sursă de încălzire. Lawson a definit echilibrul în acest context ca energia totală eliberată de întregul ciclu de reacție în raport cu energia totală livrată mașinii în timpul aceluiași ciclu.

În timp, pe măsură ce performanța a crescut cu ordine de mărime, timpii de reacție s-au extins de la microsecunde la secunde și, în cazul ITER , în ordinea minutelor. Definiția „ciclului de reacție” a devenit deci neclară. De exemplu, în cazul unei plasme aprinse, valoarea căldurii P poate fi destul de ridicată în timpul instalării sistemului, apoi poate scădea la zero atunci când este complet funcțional, deci ar putea fi tentant să prindeți un moment în care dispozitivul face tot posibilul. pentru a determina un Q ridicat sau infinit. O soluție mai bună în aceste cazuri este utilizarea definiției inițiale mediate de reacție a lui Lawson pentru a produce o valoare similară definiției inițiale.

Apoi, există o altă complicație: în timpul fazei de încălzire, când sistemul este adus în condiții de funcționare, o parte din energia eliberată de reacțiile de fuziune va fi utilizată pentru a încălzi combustibilul din jur și, prin urmare, nu va fi eliberată în mediu. temperatura de funcționare și intrarea în echilibru termic. Deci, dacă mediați pe întregul ciclu, această energie va fi inclusă ca parte a termenului de încălzire.


Unele dezbateri cu privire la această definiție continuă. În 1998, operatorii JT-60 au susținut că au atins Q = 1,25 funcționând cu combustibil DD, ajungând astfel la un nivel de rentabilitate extrapolat. Această măsurare s-a bazat pe definiția JET a lui Q *. Folosind această definiție, JET a obținut, de asemenea, un nivel de rentabilitate extrapolat cu ceva timp mai devreme. [6] Atunci când se ia în considerare bilanțul energetic în aceste condiții și analiza mașinilor anterioare, se susține că ar trebui utilizată definiția inițială și, prin urmare, ambele mașini rămân cu mult sub nivelul de echilibru de orice fel.

Extragere științifică la NIF

Deși majoritatea experimentelor de fuziune utilizează o formă de confinare magnetică, o altă ramură importantă este fuziunea de confinare inerțială (ICF) care presează mecanic masa combustibilului („ținta”) împreună pentru a-și crește densitatea. Acest lucru mărește foarte mult rata evenimentelor de topire și reduce necesitatea de a limita combustibilul pentru perioade lungi de timp. Această compresie se realizează prin încălzirea unei capsule ușoare care reține combustibilul folosind o formă de „șofer”. Există o varietate de drivere propuse, dar până în prezent, majoritatea experimentelor au folosit lasere . [7]

Folosind definiția tradițională a căldurii Q , P fus / P , dispozitivele ICF au un Q extrem de scăzut. Acest lucru se datorează faptului că laserul este extrem de ineficient; în timp ce valoarea pentru încălzitoarele utilizate în sistemele magnetice ar putea fi de ordinul 70%, laserele sunt de ordinul 1%.

Din acest motiv, Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL), lider în cercetarea ICF, a propus o altă modificare a Q care definește căldura P ca energia furnizată de conducător auto capsulei, spre deosebire de energia alimentată în conducătorul auto de către o sursă de alimentare externă. Adică, ei propun să elimine ineficiența laserului din considerarea câștigului. Această definiție produce valori Q mult mai mari și schimbă definiția legăturii la P fus / P laser = 1. Uneori, ei s-au referit la această definiție drept „legătură științifică”. [8] Acest termen nu a fost folosit universal; alte grupuri au adoptat redefinirea lui Q, dar au continuat să se refere la P fus = laser P pur și simplu ca o legătură. [9]

Pe 7 octombrie 2013, LLNL a anunțat că a realizat pauze științifice chiar și în instalația națională de aprindere (NIF) pe 29 septembrie. [10] [11] [12] În acest experiment, P fus a fost de aproximativ 14 kJ, în timp ce ieșirea laser a fost de 1,8 MJ. Conform definiției lor anterioare, acesta ar fi un Q de 0,0077. Pentru acest comunicat de presă, au redefinit încă o dată Q , echivalând de data aceasta căldura P numai cu cantitatea de energie furnizată „celei mai fierbinți părți a combustibilului”, calculând că doar kJ din energia laser originală a ajuns la partea de combustibil care era suferind.reacții de fuziune. Această versiune a fost puternic criticată în domeniu. [13] [14]

Notă

  1. ^ VN Karpenko, The Mirror Fusion Test Facility: An Intermediate Device to a Mirror Fusion Reactor , în Nuclear Technology - Fusion , vol. 4, 2P2, septembrie 1983, pp. 308-315, DOI : 10.13182 / FST83-A22885 .
  2. ^ https://cordis.europa.eu/event/rcn/9860_en.html .
  3. ^ a b c Copie arhivată , Universitatea Nagoya . Adus la 27 iulie 2017 (arhivat din original la 3 octombrie 2018) .
  4. ^ Raport anual al programului laser , Departamentul Energiei, 1981, p. 8.5.
  5. ^ Lawrence Livermore National Laboratory , https://lasers.llnl.gov/education/glossary .
  6. ^ www-jt60.naka.jaea.go.jp , http://www-jt60.naka.jaea.go.jp/english/html/exp_rep/rep46.html . Adus la 5 decembrie 2016 .
  7. ^ S. Pfalzner, An Introduction to Inertial Confinement Fusion ( PDF ), CRC Press, 2006, pp. 13–24.
  8. ^ HG Ahlstrom, Experimente de fuziune cu laser, facilități și diagnostice la Laboratorul Național Lawrence Livermore , în Optică Optică , vol. 20, nr. 11, iunie 1981, pp. 1902–24, Bibcode : 1981ApOpt..20.1902A , DOI : 10.1364 / AO.20.001902 , PMID 20332859 .
  9. ^ Evaluarea obiectivelor de fuziune de confinare inerțială , National Academies Press, iulie 2013, p. 45, 53, ISBN 9780309270625 .
  10. ^ Paul Rincon, Etapa de fuziune nucleară a trecut la laboratorul american , BBC News , 7 octombrie 2013.
  11. ^ Nature , https://www.nature.com/news/laser-fusion-experiment-extracts-net-energy-from-fuel-1.14710 .
  12. ^ HiPER , http://www.hiper-laser.org/News%20and%20events/index.html .
  13. ^ FIRE , https://fire.pppl.gov/ICF_Scientific_Breakeven_LLNL2.pdf .
  14. ^ Știință , https://www.sciencemag.org/news/2013/10/fusion-breakthrough-nif-uh-not-really .

Bibliografie

Putere Portalul Energiei : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu energia