Нейтронсыз термоядролық синтез: зерттеулер мен перспективалар

Кіріспе

Фьюзиялық қуат түрі

Нейтрондық емес фьюзия – бұл энергияның өте аз бөлігі нейтрондар арқылы тасымалданатын фьюзияның кез келген түрі. Ең төменгі шектегі ядролық фьюзия реакциялары энергиясының 80%-ға дейін нейтрондар түрінде бөліп шығарса, нейтрондық емес реакциялар энергияны зарядталған бөлшектер түрінде, әдетте протон немесе альфа бөлшектер түрінде бөліп шығарады. Нейтрондық емес фьюзияның сәтті жүзеге асуы нейтрондық сәулеленумен байланысты мәселелерді, мысалы, зиянды иондаушы сәулелену, нейтрондық белсендіру, реакторды күтіп ұстау, биологиялық қорғау, қашықтан басқару және қауіпсіздік талаптарын айтарлықтай азайтады. Зарядталған бөлшектердің энергиясын электр энергиясына айналдыру, зарядталмаған бөлшектерден энергияны айналдыруға қарағанда оңай болғандықтан, нейтрондық емес реакция қуат жүйелері үшін тартымды болады. Кейбір жақтастары энергияны тікелей электр энергиясына айналдыру арқылы, сондай-ақ нейтрондардан шығатын сәулеленуді жою арқылы шығындарды күрт төмендету мүмкіндігін көреді, олармен қорғану қиын. Дегенмен, нейтрондық емес фьюзияны пайдалану үшін қажетті жағдайлар ITER сияқты дейтерий-тритий (DT) фьюзиясы үшін қажетті жағдайлардан әлдеқайда қиын.

Тарих

Бұл саладағы алғашқы тәжірибелер 1939 жылы басталды, ал 1950-жылдардың басынан бері тұрақты күш-жігер жұргізілуде. Алғашқы қолдаушысы – Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасының Ричард Ф. Пост. Ол, термоядролық реактордан шығарылған зарядталған бөлшектердің кинетикалық энергиясын жинап, оны ток тудыру үшін кернеуге айналдыруды ұсынды. Пост тікелей түрлендірудің теориялық негізін қалауға көмектесті, кейіннен Барр мен Моир көрсетті. Олар энергияны 48% тиімділікпен жинауға қол жеткізді. Полиуэлл термоядролық синтезі 1995 жылы Роберт В. Буссардтың пионерлік жұмысымен жүзеге асырылды және АҚШ Әскери-теңіз күштері қаржылады. Полиуэлл инерциялық электростатикалық тұтқынды пайдаланады. Ол полиуэлл зерттеулерін жалғастыру үшін EMC2 компаниясын құрды. 2005 жылы ресейлік команда 10 тераваттты лазердің пикосекундтық импульсі арқылы сутек-боронның нейтронсыз қосылуын жасады. Дегенмен, алынған α бөлшектерінің саны аз болды (лазер импульсіне шамамен 103). 2006 жылы Sandia Ұлттық зертханасындағы Z машинасы, z-қысым құрылғысы, 2 миллиард Кельвинге және 300 кВ-қа жетті. 2011 жылы Лоуренсвилл Плазма Физикасы алғашқы нәтижелерді жариялады және тығыз плазмалық фокус (DPF) арқылы нейтронсыз қосылудың теориясы мен тәжірибелік бағдарламасын ұсынды. Бұл жобаға бастапқыда NASA-ның Jet Propulsion Laboratory қаржы бөлді. Басқа DPF нейтронсыз қосылу зерттеулеріне Әуе күштері Ғылыми-зерттеу зертханасы қолдау көрсетті. Француз зерттеу тобы лазермен үдетілген протон сәулесі мен жоғары интенсивті лазерлік импульсті пайдаланып, протон мен борон-11 ядроларын біріктірді. 2013 жылдың қазан айында олар 1,5 наносекундтық лазерлік импульс кезінде шамамен 80 миллион қосылу реакциясы болғанын хабарлады. 2021 жылы TAE Technologies компаниясының Норман құрылғысы 50 миллион градустан жоғары температурада тұрақты плазманы тұрақты түрде өндіретінін мәлімдеді. 2021 жылы ресейлік команда электродинамикалық (осцилляциялық) плазмалық тұтқынмен жабдықталған миниатюралық құрылғыда тәжірибелік нәтижелерді ұсынды. Ол виртуалды катодпен ~1-2 Дж наносекундтық вакуумдық разрядты қолданды. Оның магнит өрісі борон иондарын және протондарды осцилляциялық иондардың соқтығысуы кезінде ~100-300 кВ жылдамдыққа дейін үдетті. 4 мкс қолданған кернеу кезінде шамамен 5/4π (~10 α бөлшегі/нс) α бөлшектері алынды. Австралиялық HB11 Energy компаниясы 2019 жылдың қыркүйегінде құрылды. 2022 жылы олар термоядролық синтезді демонстрациялаған алғашқы коммерциялық компания екенін мәлімдеді.

The first experiments in the field started in 1939, and serious efforts have been continual since the early 1950s. An early supporter was Richard F. Post at Lawrence Livermore. He proposed to capture the kinetic energy of charged particles as they were exhausted from a fusion reactor and convert this into voltage to drive current. Post helped develop the theoretical underpinnings of direct conversion, later demonstrated by Barr and Moir. They demonstrated a 48 percent energy capture efficiency on the Tandem Mirror Experiment in 1981. Polywell fusion was pioneered by the late Robert W. Bussard in 1995 and funded by the US Navy. Polywell uses inertial electrostatic confinement. He founded EMC2 to continue polywell research. A picosecond pulse of a 10 terawatt laser produced hydrogen–boron aneutronic fusions for a Russian team in 2005. However, the number of the resulting α particles (around 103 per laser pulse) was low. In 2006, the Z machine at Sandia National Laboratory, a z pinch device, reached 2 billion kelvins and 300 keV. In 2011, Lawrenceville Plasma Physics published initial results and outlined a theory and experimental program for aneutronic fusion with the dense plasma focus (DPF). The effort was initially funded by NASA's Jet Propulsion Laboratory. Support for other DPF aneutronic fusion investigations came from the Air Force Research Laboratory. A French research team fused protons and boron 11 nuclei using a laser accelerated proton beam and high intensity laser pulse. In October 2013 they reported an estimated 80 million fusion reactions during a 1.5 nanosecond laser pulse. In 2021, TAE Technologies field reversed configuration announced that its Norman device was regularly producing a stable plasma at temperatures over 50 million degrees. In 2021, a Russian team reported experimental results in a miniature device with electrodynamic (oscillatory) plasma confinement. It used a ~1–2 J nanosecond vacuum discharge with a virtual cathode. Its field accelerates boron ions and protons to ~100–300 keV under oscillating ions' collisions. α particles of about 5/4π (~10 α particles/ns) were obtained during the 4 μs of applied voltage. Australian spin off company HB11 Energy was created in September 2019. In 2022, they claimed to be the first commercial company to demonstrate fusion.

Анықтама

Термоядролық реакциялар олардың нейтрондығына қарай жіктелуі мүмкін: босатылған термоядролық энергияның қанша бөлігі энергиялы нейтрондар түрінде шығарылады. Нью-Джерси штаты нейтрондық емес реакцияны нейтрондардың жалпы босатылған энергияның 1%-дан артық емес бөлігін алып жүретін реакция деп анықтады, бірақ осы тақырыптағы көптеген мақалалар осы критерийге сай келмейтін реакцияларды да қамтиды.

Дютерий

Деутерий реакциялары (деутерий + 3He және деутерий + 6 литий) өздері нейтрондар шығармайды, бірақ синтез реакторында плазма D D жанама реакцияларын да тудырады, нәтижесінде 3He және нейтрон пайда болады. Плазмалық реакцияны қыздыру арқылы және дейтерийдің мөлшерін азайту арқылы нейтрон өндірісін азайтуға болады, алайда энергияның бірнеше пайызы нейтрондар түрінде босатылады, сондықтан бұл отын циклдары, нейтрондарға келетінде аз болғанымен, 1% шегіне жетпейді. 3He туралы қараңыз. D 3He реакциясы да жоғарыда талданғандай, 3He отынының жеткілікті еместігі мәселесіне тап болады.

Қадамдар

UNSW-дің теориялық физигі Генрих Хораның патенттерін пайдалана отырып, HB11 Energy екі петаватттық класты, импульсті лазерлерді пайдаланып, "мақсатта" тәсілімен төмен температурадағы протон-борондық синтезді жүзеге асырады. Бір лазер сутек атомдарын, мақсаттық нормальдық қабық үдеуі арқылы, екінші лазермен қуатталатын килотеслалық магнит өрісімен шектелген бор плазмасына қарай бағыттайды. Нәтижесінде пайда болған He+ иондары тікелей электр энергиясына айналады. Пикосекундтық лазер, басқа ICF жүйелерімен салыстырғанда 109 есеге арттырылған синтез өнімділігін қамтамасыз ететін тізбектік реакция тудырады. Компанияның мәлімдемесіне сәйкес, альфа бөлшектерінің ағыны 1010/ср құрайды, бұл таза энергия алу үшін қажетті көрсеткіштен 4 рет төмен. Электростатикалық тікелей түрлендіру зарядталған бөлшектердің қозғалысын пайдаланып кернеу жасайды. Бұл кернеу сым арқылы электр тогын жүргізеді, осылайша электр қуатына айналады. Бұл, бөлшекті қозғалысқа келтіру үшін кернеуді қолданатын процестің керісі болып табылады. Оны кері жұмыс істейтін сызықтық үдеткіш ретінде сипаттауға болады. Анейтрондық синтез өзінің энергиясының көп бөлігін жарық түрінде жоғалтады. Бұл энергия зарядталған бөлшектердің үделуі мен тежелуі нәтижесінде пайда болады. Бұл жылдамдық өзгерісіне тормоздық сәулелену, циклотрондық сәулелену, синхротрондық сәулелену немесе электр өрісімен өзара әрекеттесу себеп болуы мүмкін. Сәулеленуді Лармор формуласы арқылы есептеуге болады және ол рентген, ультракөк сәуле, көрінетін және инфрақызыл спектрлерде кездеседі. Рентген сәулелері түрінде шығарылатын энергияның бір бөлігі тікелей электр энергиясына айналуы мүмкін. Фотоэлектрлік эффектінің нәтижесінде рентген сәулелері өткізгіш фольгалар арқылы өтіп, энергиясының бір бөлігін электрондарға беруі мүмкін, оларды кейін электростатикалық түрде ұстап алуға болады. Рентген сәулелері электрондарға қарағанда материалдың қалың қабаттарынан өте алатындықтан, оларды сіңіру үшін жүздеген немесе мыңдаған қабаттар қажет.

Техникалық қиындықтар

Анейтрондық синтезді коммерцияландыру көптеген қиындықтарға толы.

Температура

Фузия зерттеулерінің басым бөлігі ДТ синтезіне бағытталды, себебі оны іске асыру ең оңай. Фузиялық эксперименттерде әдетте деутерий-деутерий синтезі (ДД) қолданылады, өйткені деутерий арзан және оны басқару оңай, ол радиоактивті емес. ДТ синтезімен тәжірибе жүргізу қиынырақ, себебі тритий қымбат және радиоактивті, сондықтан қосымша экологиялық қорғау және қауіпсіздік шаралары қажет. D³He синтезіндегі төмен қима және жоғары шығындардың комбинациясы белгілі бір дәрежеде өтеледі, өйткені реакцияға қатысушылар негізінен энергиясын плазмаға беретін зарядталған бөлшектер болып табылады. Бұл өтелуші ерекшеліктердің комбинациясы ДТ жүйесінен төрт есе жоғары жұмыс температурасын талап етеді. Дегенмен, жоғары шығындар деңгейі және энергияның жылдам айналымы салдарынан, жұмыс істейтін реактордың тұтқындау уақыты ДТ-ге қарағанда елу есе жоғары, ал энергия тығыздығы шамамен 80 есе жоғары болуы керек. Бұл үшін плазма физикасы саласында маңызды жетістіктер қажет. Протон-борон синтезіне иондық энергия, демек плазма температурасы, ДТ синтезіне қарағанда тоғыз есе жоғары талап етіледі. Реакцияға қатысатын ядролардың кез келген тығыздығы үшін протон-боронның реакция жылдамдығы шамамен 600 кэВ (6,6 миллиард Цельсий градусы немесе 6,6 гигакельвин) деңгейінде максималды мәніне жетеді, ал ДТ үшін бұл көрсеткіш шамамен 66 кэВ (765 миллион Цельсий градусы немесе 0,765 гигакельвин) құрайды. Қысыммен шектелген тұтқындау концепциялары үшін оңтайлы жұмыс температурасы шамамен 5 есе төмен, бірақ арақатынас әлі де шамамен онға бір болып қалады.

Қуат теңгерімі

p–11B реакциясының ең жоғары жылдамдығы D–T реакциясының үштен бір бөлігін ғана құрайды, сондықтан плазманы жақсырақ тұтқындау қажет. Тұтқындалу әдетте энергия сақталатын уақыт τ арқылы сипатталады, нәтижесінде бөлінетін қуат плазманы қыздыруға қажетті қуаттан асып түседі. Әртүрлі талаптар туындайды, ең көп қолданылатыны – Лоусон критерийі, бұл тығыздық пен уақыттың (nτ) және қысым мен уақыттың (nTτ) көбейтіндісі болып табылады. p–11B үшін қажетті nτ көрсеткіші D–T үшін қажетті көрсеткіштен 45 есе жоғары, ал nTτ көрсеткіші 500 есе жоғары. Токамак және лазерлік гранулалық синтез сияқты дәстүрлі синтез тәсілдерінің тұтқындалу қасиеттері шектеулі болғандықтан, көптеген анейтрондық ұсыныстар түбегейлі түрлендірілген тұтқындау концепцияларын қолданады. Көптеген синтез плазмаларында тормоздық сәулелену энергияның негізгі жоғалу арнасы болып табылады (қараңыз, квазинейтралды, изотроптық плазмадағы тормоздық жоғалтулар). p–11B реакциясы үшін кейбір есептеулер тормоздық сәулелену қуатының синтез қуатынан кем дегенде 1,74 есе жоғары болатынын көрсетеді. 3He–3He реакциясы үшін бұл көрсеткіш 1,39 ғана, яғни сәл жақсырақ. Бұл бейтарап емес плазмаларға қатысты емес және анизотроптық плазмаларда өзгеше. Конвенциялық реакторлық конструкцияларда, магниттік немесе инерциялық тұтқындауға негізделген, тормоздық сәулелену плазмадан оңай шығып кетеді және таза энергия жоғалтуы ретінде қарастырылады. Плазма сәулеленуді қайта сіңіре алса, жағдай жақсарар еді. Сіңіру негізінен электрондардағы Томсон шашырауы арқылы жүзеге асырылады, оның жалпы көлденең қимасы σT = 6,65 құрайды. 50–50 D–T қоспасында бұл 6,3 диапазонына сәйкес келеді. Бұл Лоусонның ρR > 1 г/см2 критерийінен әлдеқайда жоғары, оған қол жеткізу қиын, бірақ инерциялық тұтқындау жүйелерінде мүмкін. Мегатеслалық магниттік өрістерде кванттық механикалық эффект иондардан электрондарға энергия беруді баяулатуы мүмкін. Бір есептеу бойынша, тормоздық жоғалтулар синтез қуатының жартысына дейін немесе одан да азырақ төмендетілуі мүмкін. Қатты магниттік өрісте циклотрон сәулеленуі тормоздық сәулеленуден де күшті. Мегатеслалық өрісте электрон, егер сәулелену шыға алатын болса, бірнеше пикосекунд ішінде циклотрон сәулеленуіне энергиясын жоғалтады. Алайда, жеткілікті тығыздықтағы плазмада (ne > 2,5, қатты дененің тығыздығынан жоғары) циклотрон жиілігі плазма жиілігінен екі есе аз. Бұл жақсы белгілі жағдайда циклотрон сәулеленуі плазмоид ішінде тұтылып, өте жұқа беттік қабаттан басқа жерден шыға алмайды. Мегатеслалық өрістер әлі қол жеткізілмеген, бірақ 0,3 мегатеслалық өрістер жоғары интенсивті лазерлермен жасалған, ал 0,02–0,04 мегатеслалық өрістер тығыз плазмалық фокус құрылғысымен байқалған. Әлдеқайда жоғары тығыздықта (ne > 6,7) электрондар Ферми дегенерациясына ұшырайды, бұл тормоздық жоғалтуларды тікелей және иондардан электрондарға энергия беруді азайту арқылы басады. Егер қажетті жағдайлар орындалса, p–11B немесе D–3He отынынан таза энергия өндіру мүмкін. Алайда, тек осы эффектке негізделген реактордың жұмыс істеуінің ықтималдығы төмен, өйткені күшейту 20-дан аз болады деп болжанады, ал 200-ден астам күшейту қажет деп есептеледі.

The peak reaction rate of p–11B is only one third that for D T, requiring better plasma confinement. Confinement is usually characterized by the time τ the energy is retained so that the power released exceeds that required to heat the plasma. Various requirements can be derived, most commonly the Lawson criterion, the product of the density, nτ, and the product with the pressure nTτ. The nτ required for p–11B is 45 times higher than that for D T. The nTτ required is 500 times higher. Since the confinement properties of conventional fusion approaches, such as the tokamak and laser pellet fusion are marginal, most aneutronic proposals use radically different confinement concepts. In most fusion plasmas, bremsstrahlung radiation is a major energy loss channel. (See also bremsstrahlung losses in quasineutral, isotropic plasmas.) For the p–11B reaction, some calculations indicate that the bremsstrahlung power will be at least 1.74 times larger than the fusion power. The corresponding ratio for the 3He 3He reaction is only slightly more favorable at 1.39. This is not applicable to non neutral plasmas, and different in anisotropic plasmas. In conventional reactor designs, whether based on magnetic or inertial confinement, the bremsstrahlung can easily escape the plasma and is considered a pure energy loss term. The outlook would be more favorable if the plasma could reabsorb the radiation. Absorption occurs primarily via Thomson scattering on the electrons, which has a total cross section of σT = 6.65. In a 50–50 D T mixture this corresponds to a range of 6.3. This is considerably higher than the Lawson criterion of ρR > 1 g/cm2, which is already difficult to attain, but might be achievable in inertial confinement systems. In megatesla magnetic fields a quantum mechanical effect might suppress energy transfer from the ions to the electrons. According to one calculation, bremsstrahlung losses could be reduced to half the fusion power or less. In a strong magnetic field cyclotron radiation is even larger than the bremsstrahlung. In a megatesla field, an electron would lose its energy to cyclotron radiation in a few picoseconds if the radiation could escape. However, in a sufficiently dense plasma (ne > 2.5, a density greater than that of a solid), the cyclotron frequency is less than twice the plasma frequency. In this well known case, the cyclotron radiation is trapped inside the plasmoid and cannot escape, except from a very thin surface layer. While megatesla fields have not yet been achieved, fields of 0.3 megatesla have been produced with high intensity lasers, and fields of 0.02–0.04 megatesla have been observed with the dense plasma focus device. At much higher densities (ne > 6.7), the electrons will be Fermi degenerate, which suppresses bremsstrahlung losses, both directly and by reducing energy transfer from the ions to the electrons. If necessary conditions can be attained, net energy production from p–11B or D–3He fuel may be possible. The probability of a feasible reactor based solely on this effect remains low, however, because the gain is predicted to be less than 20, while more than 200 is usually considered to be necessary.

Қуат тығыздығы

Әрбір жарияланған термоядролық электр станциясы жобасында термоядролық реакцияларды тудыратын бөлігі, ядролық қуатты электр энергиясына түрлендіретін бөлімінен әлдеқайда қымбат. Мұндай жағдайда, және көптеген қуат жүйелерінде де, қуат тығыздығы маңызды сипаттама болып табылады. Қуат тығыздығын екі есеге арттыру электр энергиясының құнын кем дегенде екі есеге төмендетеді. Сонымен қатар, қажетті ұстау уақыты қуат тығыздығына байланысты. Дегенмен, әртүрлі термоядролық отын циклдарымен туындайтын қуат тығыздығын салыстыру оңай емес. p–11B отынына қатысты D–T отыны үшін ең қолайлы жағдай – 400 кэВ-тан жоғары ион температурасында ғана жақсы жұмыс істейтін (теориялық) ұстау құрылғысы, онда екі отын үшін де реакция жылдамдығы параметрі <σv> тең болады және ол төмен электрон температурасында жұмыс істейді. p–11B отынына D–T отынына қарағанда ұзақ ұстау уақыты қажет емес, себебі оның зарядталған бөлшектерінің энергиясы D–T отынына қарағанда екі жарым есе жоғары. Алайда, бұл болжамдарды жеңілдету, мысалы, ыстық электрондарды ескере отырып, D–T реакциясының төмен температурада жүруіне рұқсат беру немесе есептеуге нейтрондардың энергиясын қосу қуат тығыздығының артықшылығын D–T отынына ауыстырады. Көбінесе қуат тығыздықтарын бірдей қысымда салыстыру қабылданады, әрбір реакция үшін қуат тығыздығын максималды ету үшін ион температурасын таңдау және электрон температурасын ион температурасына тең ету. Ұстау схемалары кейде басқа факторлармен шектелуі мүмкін болғанымен, жақсы зерттелген көптеген схемалардың қысымның белгілі бір шегі бар. Осы болжамдар бойынша p–11B отынының қуат тығыздығы D–T отынына қарағанда шамамен 2100 есе аз. Суық электрондарды қолдану бұл көрсеткішті шамамен 700-ге дейін төмендетеді. Бұл сандар нейтрондық синтез қуатының негізгі ұстау концепцияларымен мүмкін еместігін көрсетеді.