天后的热核
我们对热核能有什么期望，有什么不值得的？
8月底，世界媒体围绕着美国公司Tri Alpha Energy的消息传播，该公司宣布其自身聚变反应堆的发展取得了“重大突破”，这是世界上最受欢迎的托卡马克的替代品。 从事该项目的工程师表示，他们设法将等离子体保持在10毫升温度为5毫秒 - 对于更大的系统来说，根本没有足够的能量。
三角能源有着显着的俄罗斯根源：众所周知，Rosnano拥有其外国子公司的股份。 俄罗斯科学家在这个项目中也发挥了重要作用，因此最近的突破是他们的优点。 因此，最复杂的安装注射器是在西伯利亚核物理研究所设计和制造的。 Budker SB RAS。 根据参与创建这些注射器的物理和数学科学候选人Aleksey Beklemishev的说法，这项任务很难在其他国家的科学家的力量范围内完成。 我们与他讨论了Tri Alpha反应堆与托卡马克的不同之处，它们如何用于生产黄金以及一般的热核能的可能性。
Alexey Beklemishev。 来自个人档案的照片
“据说各种反应堆变体 - 托卡马克，仿星器等 - 是物理学家试图掌握的受控热核聚变的不同等离子体限制方法。 这个系列中Tri Alpha项目的区别是什么？
- 托卡马克和仿星器，以及Tri Alpha的创造者解决的解决方案都没有根本不同：他们都使用磁等离子体限制。 其中的等离子体保持在准静止状态，即，使用外部磁场将其保持相当长的时间。
使用超短波和超强功率激光闪光的脉冲系统与它们有很大不同。 一切都发生在最短的一秒钟内 - 实际上它不是“燃烧”，而是一系列微小的热核微爆炸。 此外，还有一系列中间选项。
- Tri Alpha正在制定的计划和更熟悉的托卡马克之间的主要区别是什么？
- Tri Alpha中的磁场配置与托卡马克中的大致相同：这些是形成“甜甜圈”或圆环的闭合力线。
让我们记住，等离子体由离子和电子组成。 电子是灵巧且快速的粒子，如果它们能够从等离子体“逃逸”，它将迅速冷却下来。 幸运的是，电子是带电的，只能沿着磁场线移动。 因此，电子保持的经典方法是将磁场线闭合成环面。 因此它在托卡马克，仿星器和具有反转场的系统中实现 - 例如在Tri Alpha中。
然而，如果在托卡马克中，该场由超导磁体，磁芯和绕组的复杂系统形成，这里这种环形束形成在小的等离子体“云”内。 这种解决方案具有Tri Alpha的主要优势 - 紧凑尺寸的优势。 如果一个强大的托卡马克，如正在建造的ITER，形成一个像房子大小的环形凝块，Tri Alpha装置在其最大规模的性能中创造了一个半径约为2米的等离子环。
具有反向磁场的系统比托卡马克更紧凑，更便宜并且可能更有效。 该理论预测，托卡马克中的一些有希望的热核燃料循环原则上是不可实现的，原因有很多。 可以实现氘 - 氚（DT）等离子体在其中的燃烧，但是不能使用氘 - 氘（DD）燃料，甚至托卡马克中的质子 - 硼 - 11（pB）。
这些燃料在能量输出，生态和其他因素方面更有利可图。 但它们要求磁场对等离子体的限制效率要高于托卡马克可用的等离子体限制效率。 然而，在一些替代系统中，包括具有反向场的系统，等离子体限制可以达到期望的水平。 因此，与Tri Alpha等项目相关的希望。
- 所有这些游戏注射器的作用是什么，你在忙于同事的发展？
- 它们的作用是巨大的，任何类型的反应堆都需要它们，无论是ITER托卡马克还是三角洲。 首先，为了进行热核反应，必须加热等离子体。 其次，在任何情况下，一些颗粒的损失都是不可避免的，必须不断补充缺陷。 第三，这对于环形系统尤其重要，可以通过注入等离子体来维持电流。 所有这些都需要注射器：他们的任务是“注入”等离子体预制备和加热的颗粒。
制作起来并不容易，因为我们必须将等离子体限制在磁场中，以免让颗粒脱落。 但它不会让其他粒子进入等离子体。 因此，我们必须以中性原子的形式将它们“扔”到等离子体中，这实际上不会对磁场起反应，只能将原子转换成离子。 而且，它们必须以足够高的速度供应，以便原子在失去电子并成为离子之前有时间到达等离子体的中心区域。
由INP生产的原子注入器，目前安装在TCV托卡马克（瑞士）上。 照片：Alexey Beklemishev的个人档案
对于大型反应堆，例如ITER托卡马克或Tri Alpha系统，需要喷射器的恒定操作，并且需要高能量水平。 注射器需要强大的，通常在尺寸上，它们甚至比反应器本身更大。 此外，还有诊断注射器。 他们使用快速原子流来“喂”热核反应，但研究血浆及其内部发生的一切。
这是一种纯粹的科学和高科技。 喷射器的开发是一项非常困难的技术，技术和科学任务。 我们处理在新西伯利亚运营的工厂以及过去15 - 20年的许多国际项目。 我认为我们的团队是这一领域的世界领导者。 因此，Tri Alpha项目已成为我们的客户之一。 此外，客户非常有利可图：他们需要独特的注射器，他们已准备好为此所需的技术开发提供资金。 事实证明，我们做科学工作，开发高科技，收集高素质人才，甚至从中赚钱。
- 如果我们谈论的是Tri Alpha，那么就在最近，媒体上充满了报道，该项目的作者设法向前迈出了重要的一步。 这项成就有多重要？
- 总的来说，Tri Alpha团队已经取得了承诺给投资者的成果。 该项目的工作分阶段进行，每一步都必须取得一定的成果，向投资者展示，确认事情正在以正确的方式发展 - 并且只有在此之后才能为下一步获得新的数百万资金。
因此，我们最近看到的是PR-hype，这是为了让投资者相信需要为下一阶段的工作分配300百万美元。 然而，对于这种炒作，有很好的理由。
请记住，我们说Tri Alpha反应堆是一个具有反向磁场的系统。 存在于其中的等离子体环的体积相对较小。 等离子体很快就会失去一定数量的颗粒，冷却并崩解。 直到最近，Tri Alpha的开发人员才第一次设法在安装工作期间始终保持等离子“甜甜圈”的稳定存在 - 直到实验存储的能量结束。 同时，所有等离子体参数保持在同一水平。
换句话说，为了保持热血浆，Tri Alpha的作者来到了医院。 我们可以自信地假设，在将来，当等离子体被加热到甚至更加苛刻的熔化所需的温度时，它们将能够将等离子体保持在这种状态。 这是所有具有反转场的装置中固有的问题之一，并且首次得到了解决。 总的来说，这确实是一项严肃的成就，证明了所选择的方法最终可能起作用的原则。
正如我们所说，托卡马克受到相当低的等离子体约束效率的限制，并且它们将无法对最有希望的燃料类型实施热核反应。 在Tri Alpha，他们受到的威胁更大：从理论上讲，他们计划获得大约十倍的等离子体限制，并且能够实现更多的“高级”反应，直至质子硼-11。
该反应最重要的特征是其能量以带电粒子和伽马量子的形式释放，与中子辐射不同，它易于被屏蔽。 因此Tri Alpha的独特建议：“纯热核”，没有中子和没有放射性的能量。 但是，实施这种方法存在根本性的困难。 这是所需的温度：如果“氘”热核聚变在等离子体温度100-300百万度下有效工作，那么对于质子 - 硼-11，在20中需要一次温度更高。 巨大的温度迫使等离子体积极地辐射，并且它几乎很快以X射线的形式失去所有的能量。 这种等离子体本身不能燃烧，必须从外部持续通电，特别是在喷射器的帮助下。
一般来说，释放能量是一个完全独立和重要的对话。 事实是，在热核反应中，它以更大的程度以中子和各种电离粒子的形式出现 - 质子，伽马量子等。 当然，这种能量对于在这里工作的人和设备都是危险的......
甚至物理学家都非常不愿意尝试使用氘 - 氚等离子体。 20多年前，在美国进行了这样的实验，之后必须拆除和埋葬托卡马克：它变得具有放射性，进一步使用它太危险了。 英国托卡马克JET在氚工作了很短的时间，之后他停了很长时间才进行维修。 要真正获得超过成本的热能输出，我们需要安装复杂且昂贵的保护。
因此，当法国正在建造的ITER托卡马克装置切换到“氚计划”运行时，将全面转入自动化维护。 围绕安装将仅保留 机器人谁来做所有必要的工作。 即便如此，正在为 ITER 开发一种特殊的保护“毯子”，它将覆盖整个装置并将捕获辐射和中子。
- 在您看来，哪种类型的反应堆最终将“获胜”并将用于未来的热核动力工程？
- 我认为ITER反应堆最终将以其开发人员构思的方式工作，并且在合适的时间内甚至可以达到计划的功率水平。 这里的问题不在于物理学，而在于经济学：即使ITER开始工作，本身很少有人会需要它。 换句话说，有可能获得受控的热核反应 - 但就热核能的商业用途而言，这仍然会产生太少的影响。 ITER参与者自己了解这一点，因此，在此之后，我们构思了一个新的甚至更加巨大的DEMO项目，其任务是展示一个经济上可行的聚变发电厂方案。
ITER托卡马克正在建设中。 照片：iter.org
这种基于托卡马克的发电厂将能够产生几千兆瓦的能量（如现代大型核电站和水力发电厂。 - RP。）。 这些将是设计，建造和管理方面庞大，复杂的工程系统，比核电站更复杂。 并非每个国家都有这样的规模，并不是每个人都需要它。
一般来说，如果不是最便宜的电力，我们将得到非常有限的使用。 因此，在我看来，尽管ITER等待成功是值得的， 故事 托卡马克作为这方面的能源可能会结束。 除非有其他一些实现这个概念。
“但那时控制热核聚变领域的工作意义尚不清楚。 如果我们获得昂贵的“放射性”能量，为什么学会控制等离子？
- 事实上，能量远远不是控制热核的潜在用途的唯一领域。 即使是反应中发出的危险中子也对某些地区非常有价值。 事实上，这些快中子的成本远远超过黄金的价值。
如果他们在他们的路上设定了明确的目标，那么他们可以用来“将元素”转化为目标 - 在工业规模上实现炼金术士关于将某些物质转化为其他物质的梦想。 用现代语言说，我们可以得到一些我们需要的同位素或者摧毁其他有害和危险的同位素。
为放射性生产的放射性废物“加力燃烧”建立这样一个装置的前景非常接近。 如果你还需要等到热核能量，我认为，半个世纪，那么“后燃烧器”最有可能出现在10年代。 据估计，当提供给热核反应堆的能量转换成中子的效率达到至少10％时，这种设施在经济上和实际上是合理的。 这个酒吧已经非常接近开发商面前。
在此之后可能会出现一个被称为“燃料开发者”的系统。 它需要大约50％的能量转换成中子的效率。 在这里，我们将能够以实际工业量生产重要的同位素 - 生产有价值的核燃料，将钍转化为同位素与铀-233的混合物。
此外，正在积极推动混合核聚变反应堆的概念，其主要支持者是ITER理事会主席Evgeny Pavlovich Velikhov院士。 据了解，热核设施将产生中子，这些将为高效安全的快中子反应堆提供动力。
- 据您所知，Tri Alpha的开发人员计划了他们未来工作的每个阶段。 这个计划是否有某种可预见的结局？ 我们什么时候可以等待承诺的“清洁融合”？
- Tri Alpha的问题不仅在于反应堆和等离子体的限制。 它需要解决大量的科学和技术问题。 有必要找到一种将反应堆中发射的X射线转换成电能的高效方法。 需要尽可能地提高系统中每个元件的能量效率 - 顺便说一下，喷射器特别重要。 目前，正在进行研究以实现“从出口”到85甚至90％的效率。
至于Tri Alpha的计划，你需要记住他们现在才设法达到静止状态。 在过去，实验并不那么成功，等离子体参数非常低。 她太快崩溃了。 对实验装置的设计进行了许多改变，他们设法实现了它的全部潜力。 我希望现在Tri Alpha将获得下一代C-3安装的资金，而我们新的，更强大的注射器将会在它上面。
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