Плазма

Слайд 1

Слайд 2

Управляемый термоядерный синтез В настоящее время экономически выгодное энергопроизводство основывается на использовании энергии органического топлива, энергии атомного ядра и гидроэнергетике. Эти способы вызвали проблемы экологического, ресурсного и научно- технического характера, что стимулирует развитие и поиск новых энергоисточников . Повод забеспокоиться появился, когда о конечности ископаемых топлив начали говорить публично . Другой недостаток ископаемых топлив, обнаруженный с опозданием, — вредные выбросы. При сжигании угля, нефти и природного газа вырабатываются углекислый газ, угарный газ и остальные гадости, которые попадают в атмосферу . МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) объявила ультиматум: отказаться от ископаемых топлив к 2100 году. Иначе изменения климата станут необратимыми.

Слайд 3

Возможные реакции Ядро атома состоит в первом приближении из протонов и нейтронов (=нуклонов). Для того, чтобы от атома оторвать все нейтроны и протоны нужно затратить энергию — энергию связи ядра . Для УТС предполагается использование 4 видов реакций, представленных на рисунке. По реакциям 1 и 2 — получается много очень высокоэнергетических нейтронов, которые всю конструкцию реактора делают радиоактивной. А вот реакции 3 и 4 — «без нейтронные» ( aneutronic ) — не дают наведенной радиации. К сожалению, побочные реакции все равно остаются. Например, из реакции 3 — дейтерий будет и сам с собой реагировать, и небольшое нейтронное излучение все же будет. Реакция 4 интересна тем, что в результате получаем 3 альфа-частицы, с которых теоретически можно напрямую энергию снимать (т.к. они фактически представляют собой движущиеся заряды = ток). В общем, интересных реакций достаточно. Вопрос лишь в том, насколько просто их осуществить в реальности?

Слайд 4

Типы реакторов и их строение Для запуска термоядерного синтеза нужно сблизить два изотопа с небольшим зарядовым числом, допустим дейтерий и тритий, до расстояния одного атомного ядра, чтобы те «слиплись» и образовали новое, более тяжелое ядро. Сведение ядер — первая проблема синтеза, и небольшое зарядовое число ее упрощает . Дело в том, что одноименно заряженные атомные ядра сводить нельзя — действует кулоновское отталкивание. Поэтому газ дейтерия и трития приходится разгонять в вакууме, нагревая до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия. С атомов в результате слетают электронные оболочки, и газ переходит в состояние плазмы, состоящей только из заряженных частиц, что позволяет управлять ей с помощью магнитных ловушек . Компромисс между временем удержания плазмы и скоростью реакции — вторая проблема термоядерного синтеза. Подходов к ее решению целых два, по числу основных типов реакторов: квазистационарные (стеллараторы и токамаки) и инерциальные . Первые — это полые «бублики», в которых газ нагревается током и изолируется от внутренних стенок за счет магнитных полей. Вторые — «шарики», в них замороженные изотопы одновременно поджигаются и сдавливаются лазерами.

Слайд 5

История УТС В 1951-м году, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров додумали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. В том же, 1951-м, году астрофизик Лайман Спитцер построил первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор . Стеллараторы доминировали ровно до 1969 года, когда температура плазмы (объемом всего в один кубический метр) в советском Т-3, первом и единственном токамаке , достигла рекордных трех миллионов градусов Цельсия, что лишь в пять раз меньше температуры в центре Солнца . В 1983 году в Великобритании был достроен крупнейший из ныне существующих термоядерных реакторов этого типа — JET . Объем плазмы в JET составил уже около 100 кубических метров . Он сгенерировал 16 мегаватт с показателем энергоэффективности Q ~ 0,7. Соотношение затраченной энергии к полученной — третья проблема термоядерного синтеза. Теоретически для самоподдерживающегося горения плазмы Q должен перевалить за единицу. Но практика показала, что мало и этого: на самом деле Q должен быть более 20. Среди токамаков Q JET пока остается непокоренным . Новой надеждой отрасли стал токамак ITER, который прямо сейчас всем миром строят во Франции. Показатель Q у ITER должен достигнуть 10, мощность — 500 мегаватт, которые для начала просто рассеют в пространстве. Работы над этим проектом ведутся с 1985 года и должны были закончиться в 2016 году. Но постепенно стоимость стройки выросла с 5 до 19 миллиардов евро, и дата ввода в эксплуатацию отодвинулась на 9–11 лет. При этом ITER позиционируется как мостик к реактору DEMO, который, по плану в 2040-х годах, сгенерирует первое «термоядерное» электричество.

Слайд 6

Развитие средств нагрева плазмы Параллельно с ростом размеров токамака развивалась технология средств нагрева плазмы. Сейчас используется три различных метода нагрева: 1. Омический нагрев плазмы протекающим по ней током. 2. Нагрев пучками горячих нейтральных частиц дейтерия или трития. 3. Нагрев электромагнитными волнами в разных диапазонах частот . Омический нагрев плазмы в токамаке присутствует всегда, но он недостаточен для нагрева до термоядерных температур порядка 10 – 15 кэВ (100 – 150 млн. градусов). Дело в том, что с нагревом электронов быстро падает сопротивление плазмы, поэтому при фиксированном токе падает и вложенная мощность. В качестве примера укажем, что в установке JET током в 3-4 МА удается нагреть плазму только до ~ 2 – 3 кэВ. При этом сопротивление плазмы настолько мало, что ток в несколько миллионов ампер (МА) поддерживается напряжением 0.1 – 0.2 В. Инжекторы пучков горячих нейтралов появились впервые на американской установке PLT в 1976-77 годах, и с тех пор прошли большой технологический путь развития. Сейчас типичный инжектор имеет пучок частиц с энергией 80 – 150 кэВ и мощностью до 3 – 5 МВт . Полная мощность пучков, захваченная плазмой, достигает 25 – 30 МВт. Это сравнимо с мощностью небольшой тепловой электростанции. На ИТЭРе предполагается установить инжекторы с энергией частиц до 1 МэВ и суммарной мощностью до 50 МВт. Таких пучков пока нет, но идут интенсивные разработки. В Соглашении по ИТЭРу ответственность за эти разработки взяла на себя Япония .

Слайд 7

Нагрев плазмы электромагнитными волнами Сейчас считается, что нагрев плазмы электромагнитными волнами эффективен в трех диапазонах частот: 1. нагрев электронов на их циклотронной частоте f ~ 170 ГГц; 2. нагрев ионов и электронов на ионной циклотронной частоте f ~ 100 МГц; 3. нагрев на промежуточной (нижне-гибридной) частоте f ~ 5 ГГц . Для последних двух диапазонов частот уже давно существуют мощные источники излучения, и главная проблема здесь заключается в правильном согласовании источников (антенн) с плазмой для снижения эффектов отражения волн . Для первого, наиболее высокочастотного диапазона проблема изначально заключалась в разработке мощных источников излучения с длиной волны l ~ 2 мм. Первопроходцем здесь оказался Институт Прикладной Физики в Нижнем Новгороде. За полвека целенаправленного труда удалось создать источники излучения ( гиротроны ) с мощностью до 1 МВт в стационарном режиме. Именно такие приборы будут установлены на ИТЭРе . Резонатор, в котором происходит возбуждение волн электронным пучком, имеет размеры порядка 20 см, а требуемая длина волны в 10 раз меньше. Поэтому требуется резонансно вложить до 95% мощности в одну и очень высокую пространственную гармонику, а во все остальные вместе – не более 5 %. Для вывода излучения из гиротрона в качестве окна используется поликристаллический алмазный диск толщиной 1.85 мм и диаметром 106 мм. Таким образом, для решения проблемы нагрева плазмы пришлось развить производство гигантских искусственных алмазов.

Слайд 8

Заключение Обширные, дорогостоящие, уникальные по сложности и глубине проникновения в физическую суть исследования, выполняемые в ведущих лабораториях мира, вскрыли задачи, о существовании которых в начале пути не подозревали. Несмотря на значительные достижения, ни одна из драйверных систем не позволяет в настоящее время вплотную приблизиться к решению проблемы. Кроме необходимости повышения энергетических и оптимизации пространственно-временных параметров драйверов встают проблемы поглощения, переноса, излучения энергии и гидродинамических процессов в мишени и плазменной короне. В действительности распределение энергии на глубине проникновения имело близкий к экспоненциальному вид. Увеличение энергии в импульсе привело к ускоренному образованию плазменной короны, которая обладает более высокой тормозной способностью, чем холодное вещество. В результате для значительной части энергозапаса пучка снизилась эффективность трансформации его в энергию гидродинамического сжатия, возросла доля энергии, уносимая излучением. Значительные и еще до конца неопределенные задачи ставит гидродинамика системы пучок–мишень . Таким образом, современные реакторы не способны на выходе обеспечить достаточный кпд для поддержания реакции и генерации энергии на выходе.

Слайд 9

Спасибо за внимание!