Современное состояние и перспективы ИТС

Современное состояние и перспективы ИТС

Орлов Ю.Н.Д.ф.-м.н., член Совета РАН по анализу энергетических систем

ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, МФТИ

2

Физика термоядерного синтеза

3

Условия осуществления реакции

nTD

Кулоновский барьер

KkeVEmR 90

150 104400,104

nTD

TD mmm

mmv

r

eE 2,1,

22

2

0

2

0 R

eEE

Квантовое туннелирование

T

ENN 0

0 expПри T<E0 число реакций в ед. времени уменьшается:

222

2

2

2,

2exp

2

,1

12

exp

12)( e

vv

e

v

e

v

v

ev

evD

][

20exp

2

27exp

3/1

3/1

2

4

keVTT

meD

4

Основные реакции DT-синтеза

bnDnT

bnHnD

D

HTnHe

08.026.62

2.022.22

27.32

)19.0()57.0(3

68.1467.3

%50,)02.3()01.1(

%50,)45.2()82.0(

07.1452.3

43

3

4

HHeHeD

HT

nHeDD

nHeTD

5

Сечения и энергия реакций синтеза

]7,8[3.6

]1,12[)0,4()0,4()1,4(.5

]3,11[)5,7(2)8,3(.4

]0,4[)0,3()0,1(

]3,3[)5,2()8,0(.3

]3,18[)6,14(7,3.2

]6,17[)1,14(5,3.1

11

3

3

3

Bp

pnHeT

nTT

pT

nHeDD

pHeD

nTD

6

Деление быстрыми нейтронами

1 мг DT = 340 МДж 1 мг U = 80 МДж 1 реакция синтеза = 17 МэВ 1 реакция деления = 200 МэВ

7

Потребности энергетики

8

Стоимость извлечения энергоресурсов

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

0,10 1,00 10,00 100,00

Стоимость извлечения, $/Гдж

Ресур

с т

оп

ли

ва, Э

Дж

Нефть

Газ

Уголь

Уран-235

Уран-238

кумулятивное потребление XXI век min

кумулятивное потребление XXI век max

9

Условия энергетически выгодного ядерного синтеза

Критерий Лоусона

Критерий инерциального удержания

Удержание плазмы с концентрацией n

в течение времени при температуре T>10 keV ссмn 31410

Оптическая толща плазмы плотности ρ

с характерным размером R должна быть

больше пробега α-частиц с энергией 3,5MeV

R 31 смгR

Критерий энергоэффективности

Коэффициент усиления мишени G должен

быть достаточным для того, чтобы расход

электроэнергии для работы драйвера

составлял бы φ=0,05 от отпускаемой

энергии в сеть100

,

,,

G

EEEE

EEE

EG

fusTeleldd

dplplpl

fus

10

Энергетическая концепция ИТС

11

12

Типы термоядерных реакторов

13

Токамак

Стелларатор

Пробкотрон Котел взрывного сгорания

Z-пинч

Обжатие лазером

14

Характеристики камер реакторов в проектах ИТС

Проект HYLIFE-II LIBRA-SP HIBALL-II Starlight Sombrero

Энергия взрыва, МДж

350 576 400 300 400

Радиус первой стенки, м

3,5 4 5 6 6,5

Защита первой стенки

Инжекциятолстых струй, сольLi2BeF4

Струйная завеса, эвтектика Li17Pb83

Жидкаяпленка,эвтектика Li17Pb83

Мишеннаякапсула, Li

Буферный газ, Xe

Материал первой стенки

Сталь Сталь Пористый SiC

Сталь Графит

15

16

Камера реактора в проекте LIBRA-SP

17

Камера реактора в проекте Prometheus

PROMETHEUS-L (1992):

SiC porous wetted first wall.

Target yield 497 MJ, Rep-rate 5.65 Hz,

Cavity radius 5 m.

18

Камера реактора в проекте KOYO-F

KOYO-F Reactor (2006):

Cascade film flow first wall.

Target yield 200 MJ, Rep-rate 4 Hz, Cavity

radius 3 m.

19

Камера для Z-пинча горизонтальное и вертикальное сечения

20

Мюонный катализ

21

Физические условия μ-катализаЯ.Б. Зельдович, С.С. Герштейн, 1960 г.

смLDDсмLDDe 118 105:;10:

eec

probpnGeVnn

)102(,

)83,0()1(6

200em

m

Образуются мезомолекулярные ионы DD, DT , ядра которых колеблются

на малых расстояниях одно от другого; время реакции туннелирования и

последующего синтеза 1 фс:

cvDm

m

emDT

r12

4

310

)(

12

С вероятностью 0,01 мюон после реакции DT++n подхватывается

ядром гелия и выводится из реакции.

Энергетическая эффективность реакции 0,2-0,4.

22

Тяжелоионный синтез

23

INJECTIONTARGET

SHIELD

STRUCTURALWALL

FOCUSING LENS

IGNITION BEAMWETTED WALL

BLANKET

COOLANT POOL

TO HEATEXCHANGER

COMPRESSING HOLLOW

TO

VA

CU

UM

PU

MP

BEAM

REACTOR CHAMBER FOR FAST IGNITION HEAVY ION FUSION

0 5 10 m

Pb83Li17

24

ТЯЖЕЛОИОННЫЙ ДРАЙВЕР

RFQRFQIS

Wideroe

Alvarez

Main linac

Pt+198 }

Pt+196 }

Pt+194 }

Pt+192 }

Pt-198 }

Pt-196 }

Pt-194 }

Pt-192 }

Storage rings

compressing

IS=ionsource

1 2 3 4 5 6 7 8

Pt+192

beam

ReactorChamber

25

Мишень в концепции FIHIF

Target mass………......….3.35g DT mass………………......5.7mg Target length……….…... 6.4mm Target radius………........ 4.0mm DT radius…………............1.12mm Ion beam energy..………..6.4 MJ Max. beam power………..525TW Beam rotation

frequency…………………1GHzLead shell

D T

Cylindrical compression Cylindrical compression by rotating ion beam by rotating ion beam

26

Бланкет реактора

Распределение продуктов реакции по энерговыделению

Нейтроны 576 MJ 78%Рентген 149 MJ 20%Осколки 16 MJ 2%Всего на 1 микровзрыв 741 MJ 100%

27

Этапы работы мишени

28

R-t diagram forR-t diagram for cylindrical target computed bycylindrical target computed by DEIRA-4 CodeDEIRA-4 Code

0 20 40 60 80 100 120 1400

1

2

3

4

5

6

DT-Pb interface

rad

ius,

mm

time, ns

29

Нейтронный импульс и спектр

0 2 4 6 8 10 12 1410-3

10-2

10-1

100

Target First wall Fourth channel

Neu

tro

ns

per

en

erg

y g

rou

pNeutron energy, MeV

94 95 96 97 98 99 1001E201E211E221E231E241E251E261E271E281E291E301E31

2.45 MeV

14 MeV

Neu

tro

n o

n f

luen

ce, n

/s

Time, ns

30

Рентгеновское излучение

100 200 300 400 500 600

0

50

100

150

200

250

Wx

, TW

; T

x, e

V

Time, ns

Tx Wx

200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

X-ray energy

Power

Temperature

X-r

ay e

nerg

y, M

J; P

ow

er,

TW;

Tem

pera

ture

, eV

Time, ns

31

Разлет «осколков» мишени

1 2 3 4 5radius, m

0.0

0.4

0.8

1.2

Tem

per

atu

re, 1

06 K

3 s

7 s

10 s

12 s

32

R-t диаграмма вещества в камере

2 4 6 8 10 12 14time, s

0

1

2

3

4

5

rad

ius,

m

fire ball

atmosphere

vapor

33

Динамика температуры в короне испаренного слоя защиты первой стенки

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12Logarith

m(T

/T0)

Logarithm(time, ns)

34

Динамика испарения и конденсации

Изменение во времени концентрации теплоносителя в камере

0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,00250

2

4

6

8

10D

ensi

ty, 2

.4*1

022 m

-3

Time, second

35

Распределение температуры в бланкете

36

Волны давления в бланкете

37

Концепция

«синтез-деление-синтез»

38

ГИБРИДНАЯ МИШЕНЬ

39

Энерговыделение в уране (МДж) в зависимости от степени сжатия по радиусу

Отношение энергии деления к энергии синтеза в зависимости от степени сжатия по радиусу

40

Энерговыделение в уране (МДж) в зависимости от степени сжатия по радиусу

Доля выгорания урана в зависимости от степени сжатия по радиусу

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

Fis

sio

n u

tiliz

atio

n

Compression factor, x

41

Энерговыделение в уране (МДж) в зависимости от степени сжатия по радиусу

Доля выгорания урана при оптимальном сжатии в зависимости от аспектного отношения пушера

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24M

axi

ma

l ura

niu

m u

tiliz

atio

n

Pusher aspect ratio

42

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЯЭУОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЯЭУ

Драйвер Ионы Pt 100 ГэВПрофилированное энерговложение 12 МДжДлительность 75 нсСредняя мощность 160 ТВтМишень Топливо DT 1,57 мг + 238U 214,4 мгУсиление 57 (27+30)Выгорание 60% DT+ 2%U

Камера Взрывная секция R = 4 мСекция конденсации R = 10 мРасход теплоносителя 14 т/с

Бланкет Теплоноситель Li17Pb83Толщина 0,5 мКоэффициент усиления 1,1Воспроизводство трития 1,1

Система очистки теплоносителя

Очистка от продуктов деления 239Np, 238UОчистка бланкета T, 210Po

Выработка электроэнергии

Трехконтурная схема, теплоноситель: LiPb/Na/H2O

Кпд нетто 34%Мощность (эл.) 470 МВт

43

КОНЦЕПЦИЯ «СИНТЕЗ-ДЕЛЕНИЕ-СИНТЕЗ»

Достоинства Проблемные места

1. Оба типа ядерных реакций в предлагаемом сочетании усиливают одна другую. 2. Внутри энергоустановки полностью отсутствует возможность возникновения неконтролируемой цепной ядерной реакции 3. Невозможна ядерная авария из-за потери теплоносителя. 4. Утилизация накопленного природного урана без его обогащения.  5. На единицу установленной мощности образуется меньшее количество ядерных отходов. 6. Отсутствие конструкционных материалов и органов регулирования в зоне реакции.

1. Создание ускорителя с требуемыми параметрами.

 2. Работоспособность мишени. Реализация сжатия и его устойчивость к возмущающим факторам. 3. Отклик первой стенки камеры и бланкета реактора на потоки энергии. Устойчивость материалов к длительным импульсным нагрузкам. 4. Очистка теплоносителя от продуктов реакций и остатков топлива.

44

Невозможный термояд

45

Биологическая трансмутация

Идея «В митохондриях клетки за счет перескоков электрона от Fe2+ к Fe3+

генерируется высокочастотное электромагнитное поле с частотой Гц.

В этом поле ускоряются протоны. Поскольку поле высокочастотное, оно

свободно проникает внутрь ядер атомов и меняет направление действия

кулоновских сил отталкивания между протонами на притяжение, после чего

протоны сливаются.»

Петракович Г.Н. Биополе без тайн: критический разбор теории клеточной биоэнергетики и гипотеза автора // Русская мысль, 1992. -N2.- С.66-71.

Петракович Г.Н. Ядерные реакции в живой клетке: новые представления о биоэнергетике клетки в дополнение к опубликованным ранее // Русская мысль, 1993.-N3-12.-С.66-73.

2810

46

Холодный термояд

Идея Экспериментальная установка представляет собой емкость с

электролитом из смеси хлоридов палладия, лития и окиси дейтерия.

При пропускании тока палладий и дейтерий осаждаются на

электродах. Согласно теории холодного термоядерного синтеза,

во время диффузии на этих электродах молекулы дейтерия

сталкиваются, образуя молекулы гелия. При этом высвобождаются

высокоэнергетические нейтроны, которые должны быть

обнаружены.

47

Пузырьковый термояд

Идея При прохождении ультразвуковой волны через дейтерированную

жидкость в ней образуются кавитационные пузырьки в фазе

разрежения, а в фазе сжатия они схлопываются. Поскольку

давление в пузырьке определяется в основном лапласовским

слагаемым 2σ/r, то можно создать почти бесконечные давления при

сжатии и, как следствие, термоядерные температуры.

На самом деле достижимые температуры порядка 10000К (1еV) не

дают повода говорить о термояде, а всего лишь о

сонолюминисценции. Нейтронов не обнаруживается.