Tröghetsfusionskraftverk

Electra KrF-lasern demonstrerar 90 000 skott under 10 timmar, en upprepningshastighet som behövs för ett IFE-kraftverk.

Tröghetsfusionsenergi är en föreslagen metod för att bygga ett kärnfusionskraftverk baserat på att utföra tröghetsinneslutningsfusion i industriell skala. Denna inställning till fusionskraft befinner sig fortfarande i en forskningsfas. ICF utvecklades först kort efter utvecklingen av lasern 1960, men var ett sekretessbelagt amerikanskt forskningsprogram under dess tidigaste år. 1972 John Nuckolls en artikel som förutspådde att komprimering av ett mål kan skapa förhållanden där fusionsreaktioner är sammankedjade, en process som kallas fusionsantändning eller en brinnande plasma. Den 8 augusti 2021 NIF vid Livermore National Laboratory den första ICF-anläggningen i världen att demonstrera detta (se plot). Detta genombrott fick det amerikanska energidepartementet att skapa ett program för tröghetsfusionsenergi 2022 med en budget på 3 miljoner dollar under det första året.

Conceptual design of the LIFE fusion power plant.
Konceptuell design av LIFE-fusionskraftverket.
NIF output over 10 years shows a dramatic increase in fusion output due to ignition.
NIF-produktion över 10 år visar en dramatisk ökning av fusionseffekt på grund av antändning.

Design av ett IFE-kraftverk

Denna typ av fusionsreaktor skulle bestå av två delar:

  • Mål som kan vara små kapslar (<7 millimeter diameter) som innehåller fusionsbränsle. Även om många typer av mål har testats inklusive: cylindrar, skal belagda med nanorör, solida block, hohlraum , glasskal fyllda med fusionsbränsle, kryogeniskt frysta mål, plastskal, skumskal och material upphängda på spindelsilke.
  • Drivrutiner som används för att komprimera och skapa en stötvåg som klämmer ihop målet. Denna kompressionsvåg trycker ner materialet till den temperatur och tryck där smältning sker. Drivrutiner som har utforskats är solid-state lasrar , excimerlasrar, höghastighetsfasta föremål, röntgenstrålar, strålar av joner ( tung jonfusion (HIF)) och strålar av elektroner.
The basic mechanism for Inertial Confinement Fusion using a simple direct drive is a 4 step process.
Den grundläggande mekanismen för Inertial Confinement Fusion med en enkel direktdrift.

Nettoenergin i ICF kommer från att få fusionsreaktioner att kedja ihop i en process som kallas antändning. För att komma dit måste vi pressa materialet till varma och täta förhållanden tillräckligt länge. Men ett nyckelproblem är att efter att en plasma blir varm - blir den svår att komprimera. Målet är då att undvika att materialet blir varmt förrän det har komprimerats. I litteraturen är detta känt som det lågadiabatiska tillvägagångssättet för kompression. Dessa steg beskrivs nedan:

  1. Håll plasman väldigt kall, kläm ihop den.
  2. Värm plasman först efter att den har klämts; helst i en "hot spot".
  3. Fusion sker, och de resulterande produkterna avsätter sin energi och skapar mer fusion.

Flera kompressionsmetoder försöker göra detta, inklusive: Central Hot Spot Ignition, Fast Ignition, Shock Ignition och Magneto-inertial-fusion.

ICF forskningsinstitutioner

Mockup av ett gyllene hohlraum som används i lasertröghetsinneslutning.

Detta program etablerades ursprungligen som ett sätt att utveckla kärnvapen , eftersom ICF efterliknar kompressionsfysiken hos en fission-fusionsbomb. Dessa anläggningar har byggts runt om i världen, nedan är några exempel.

  • Laser Mégajoule i Frankrike utvecklades 2002 och uppgraderades 2014.
  • Omega Laser byggdes första gången 1992 vid University of Rochester.
  • Omega-EP byggdes första gången 2008 vid University of Rochester som andra kraftfullare laserstråle.
  • Gecko Laser byggdes först vid Osaka University i Japan 1983 men har sedan dess uppgraderats nästan ett dussin gånger.
  • NIF var första gången i drift 2009 vid Livermore National Laboratory.
  • NIKE Laser byggdes vid Naval Research Laboratory för att studera excimerlasrar (gasbaserade).
  • Electra Laser byggdes vid Naval Research Laboratory för att studera excimerlasrar (gasbaserade).
  • PALS laseranläggning i Tjeckien etablerades för att undersöka ICF-laserimplosioner.
  • Machine 3 utvecklades av First Light Fusion för att accelerera materialblock för att skapa en stötvåg på målet.

Det har också byggts, testats och avvecklats flera ICF-anläggningar tidigare. Till exempel drev Sandia National Laboratory en serie (<10 maskiner) av jonstråle- och elektronstråledrivna ICF-forskningsprogram under 1970-talet och in i mitten av 1980-talet. Alternativt byggde Los Alamos en stor excimerlaseranläggning som heter Aurora i slutet av 1980-talet. Livermore National Laboratory byggde en rad laseranläggningar inklusive Nova, Cyclops, 4-PI, SHIVA och andra enheter. Som en del av upptakten till att NIF öppnade och uppnådde antändning finansierade Livermore National Laboratory en mängd forskning kring Laser Inertial Fusion Energy- programmet. Under detta program utvecklades en reaktordesign, kostnadsberäkning, reaktorkammare och energifångstprogram undersöktes.

IFE forskningsprogram

Glass Shell Targets
Glasskalmål
Coating round ICF targets is hard - above is a model of PDMA overcoating in a chamber
Att belägga runt ICF-mål är svårt - ovan är en modell av PDMA-övermålning i en kammare

IFE-utvecklingen har kommit i vågor inom USA. Nedan följer några statliga program som har finansierats under åren för att driva denna teknik framåt:

  • HAPL Laserprogrammet med hög medelvärde administrerades av Naval Research Laboratory från 1999 till 2008. Detta program delade ut bidrag till mål-, laser- och förarteam över hela USA och organiserade 19 möten mellan medlemsorganisationer.
  • LIFE Laser Inertial Fusion Energy-programmet administrerades av Livermore National Laboratory från 2008 till 2016. Detta program finansierades för att utveckla ett IFE-fusionskraftverk baserat runt National Ignition Facility.
  • SDI Strategic Defense Initiative (SDI) stödde oavsiktligt många av IFE-laserteknologierna som vi ser idag.

Utveckling av drivrutiner

Det är fortfarande oklart vilken förare som skulle fungera bäst för ett IFE-kraftverk, med anhängare av olika förare som driver sin favoritstrategi. Lasrar har hittills visat sig vara de mest väl undersökta. Nedan följer en sammanfattning av de laserdrivrutiner som har studerats. Utmaningen med att implementera lasersystem kommer inte bara från strålen, utan också den optik, speglar, förstärkare och gitter som också behövs för att få detta system på plats.

Jämföra drivrutinsteknik
Förare Våglängd Kosta El-till-ljus effektivitet Upprepningsfrekvens Fördelar Nackdelar
ARF-laser (gasbaserad) 193 nm billigare 9-16 % ? Kortare våglängd förbättrar kompressionen. Gas behåller inte värmen, vilket möjliggör höga repfrekvensskott. Glas, galler och spegel är inte väl utvecklade.
KRF-laser (gasbaserad) 248 nm billigare 7-10 % 90 000 skott under 10 timmar. Kortare våglängd förbättrar kompressionen. Gas behåller inte värmen, vilket möjliggör höga repfrekvensskott. Glas, galler och spegel är inte väl utvecklade.
Nd-dopad laser (fast laser) 1053 nm och/eller 351 nm vid tredubblad frekvens dyr 0,5 till <20 %. 45 minuter per skott (minst) på Omega, 1 skott per dag på NIF. Laserglas, beläggningar, optik och kristaller har alla byggts eller demonstrerats på stora system. Lägre upprepningsfrekvens på grund av att glaset värms upp.
Höghastighetsprojektil N/A Billig ? Beror på vilken drivrutin som används. Railguns har varit fundamentalt begränsade i hastigheter. Gaspistoler har visat sig producera termonukleär fusion. Solida liners som slits isär under höga strömmar har presterat bäst. Enklare teknik Hittills har fasta föremål inte fungerat lika bra som lasersystem. Både Z-Machine och First Light Fusion har utvecklat experiment.
Strålar av joner N/A Billig ? Strålar av joner kan genereras lättare än lasrar eller projektiler. Men denna drivrutin genererar plasma som försvinner in i kammaren. Höga repetitionsskott är möjliga. En stråle av joner är svåra att fokusera på målet; strålen slits isär av (+ till +) repulsiva krafter på grund av repulsion . Därför krävs hårdvara, energi och ansträngning för att hålla strålen koherent.

Relaterade drivrutinstekniker

Beroende på drivrutinen som används finns det nyckelrelaterade teknologier som måste utvecklas; nedan är några av dessa:

  • Glas som kan hantera laserenergin (Joule) som passerar genom glasets tvärsnitt (meter^2) och inte smälter eller skadas. Glaset används sedan för att tillverka speglar, linser, galler eller fönster inne i kraftverket.
  • Förstärkare som kan användas för att öka laserstrålens effekt.
  • Kompressorer som kan komprimera laserstrålen eller jonstrålen i rum och tid för att öka den totala effekt på målet.
  • Pulsade kraftsystem som kan leverera de megajoule som behövs till antingen en laser-, jonstråle- eller solid-objektdrivare. Arbetshästen för pulsad kraft (Marx Generator) har begränsningar för en ICF-anläggning och forskning har gått in på linjär transformatordrivrutin som en alternativ kraftkälla.
  • Laserdioder används som det första steget i att överföra elektrisk energi till ljusenergi för att initiera laserstrålen. Sådana system kan vara dyra och behövs inte för excimerlasrar.
  • Phase-Plate Smoothing är en teknik för att jämna ut laserstrålar i solid-state lasersystem.

Målutveckling

Det finns många typer av mål som har utvecklats för ICF-forskning - men ett kraftverk skulle kräva att tusentals om inte miljontals identiska mål avfyras upprepade gånger. Detta kommer att bli oerhört utmanande. För närvarande har Department of Energy kontrakt med General Atomics för att ta fram ICF-mål för de nationella laboratorierna. Dessa mål är delvis byggda i GA och skickas sedan över hela landet till ICF-anläggningen för en skottdag. Laboratorierna underhåller hårdvara och personal på plats för att slutföra de sista stegen för att förbereda målen för ett skott.

Målexempel

  • Glasskalmål var kulor av glas på stjälkar och fyllda med DT-gas; dessa var några av de tidigaste målen.
  • Övermålade mål involverar att odla kemiska material över ett skalmål. Detta kan göras med riktad kemisk ångavsättning av plast eller lager av guld eller silver.
  • Hohlraum -mål är pellets av DT-fusionsbränsle som är omgivna av rör av guldfolie. Lasern träffar folien och skapar röntgenstrålar som komprimerar målen; simulerar kärnvapen.
  • Silk Mounted Targets har monterats på trådar av spindelsilke; detta material är det starkaste materialet per känt tvärsnitt och bibehåller goda egenskaper ner till kryogena temperaturer.
  • Kryogena mål är de som måste hållas under ~34 Kelvin för att kondensera vätgasen till vätska eller ~14 kelvin för att kondensera till ett fast ämne.
  • Foam Wetted mål är gjorda med en mängd olika kol-väteskum och fyllda med flytande DT-material kylt till under ~34 Kelvin.
  • Ismål tillverkas med en mängd olika kol-väteskum och fyllda med flytande DT-material kylt till under ~14 Kelvin.

Kryogena mål

Keeping Cryogenic targets frozen while delivering them to target center is hard. At the LLE the target is held inside a cryogenic chamber and raised up to target chamber center on an elevator. Once the shroud is dropped from around the target it is exposed to air and starts melting. A laser pulse is then immediately required to compress it.

Det finns flera sätt att få in tritium och deuterium i en redan gjord kapsel. Högtrycksfyllningar fungerar genom att man placerar skalen i en kammare med 1 till 100 Atm gastryck och låter gasen diffundera in i skalet. Kryogena skumskal fungerar genom att suga in den flytande DT-vätskan i skummet. Detta innebär att få ner det ömtåliga skalet i temperatur och tryck utan att skada det. Detta är en stegvis process som kan ta timmar till dagar i tiden och kräver flera inneslutningskammare och olika typer av pumpar. Vid kryogena temperaturer formas DT-gasen till en vätska som kan sugas in i skumskalet. När den är fylld sänker operatörerna långsamt temperaturen ytterligare för att bilda iskristallen. Is kan börja bildas runt målets ekvator och sedan växa till en komplett kristall. Isen är inbäddad med skumskalstrukturen. Ingenjörer har haft problem med issprickor under denna bildningsprocess – allt detta påverkar skottets prestanda. Övervakning av allt detta görs med hjälp av skugggram, 360 röntgendiagnostik, visuell inspektion och andra verktyg; informationen körs genom mjukvara som får en komplett bild av målet under fyllningen.

Rörliga kryogena mål

Att hålla en ICF frusen vid kryogena temperaturer samtidigt som den levereras till kammaren för ett skott är utmanande. Till exempel, på Laboratory for Laser Energetics hålls det frusna målet inuti en specialbyggd, mobil kryogen vagn som kan flyttas på plats under målkammaren. Vagnen har kylvätskesystem och vakuumpump för att hålla materialet kallt. Denna vagn håller det frusna målet vid ett "kallt finger" som sedan höjs på en hiss och placeras i mitten av kammaren. När metallhöljet tas bort utsätts det kryogena målet för rumstemperatur och börjar sublimeras till gas. Detta innebär att laserpulser måste koordinera direkt med exponeringen av målet och allt måste ske snabbt för att målet inte ska smälta.

Se även

Anteckningar och referenser

  1. ^ Obenschain, Stephen, et al. "Högenergiska kryptonfluoridlasrar för tröghetsfusion." Tillämpad optik 54.31 (2015): F103-F122.
  2. ^ Nuckolls, John; Wood, Lowell; Thiessen, Albert; Zimmerman, George (15 september 1972). "Laserkomprimering av materia till superhöga densiteter: termonukleära tillämpningar". Natur. 239 (5368): 139–142. Bibcode:1972Natur.239..139N. doi:10.1038/239139a0. S2CID 45684425.
  3. ^ "Större milstolpe för kärnfusion nåddes när "antändning" utlöstes i ett labb".
  4. ^ Aut, Kramer David författare (3 december 2021). "Lawrence Livermores senaste försök till antändning misslyckas". Fysik idag. 2021 (2): 1203a. doi:10.1063/PT.6.2.20211203a. S2CID 244935714.
  5. ^ "DOE-verkstaden undersöker tröghetsforskningsbehov för FusionEnergy" .
  6. ^ Knight, Andrea K. Analys av de diskreta stadierna av bildandet av polyimidfilmer genom ångavsättning och deras effekter på filmens egenskaper. Vol. 68. nr 05. 2007.
  7. ^ Yamanaka, C. "Tröghetsinneslutningsfusion: Strävan efter tändning och energivinst genom att använda indirekt drift." (1999): 825.
  8. ^ "Super-lasrar flammar kunskapsspår" . TheGuardian.com . 13 augusti 2013.
  9. ^ "Vanliga frågor" .
  10. ^ "NRL Nike Laser fokuserar på kärnfusion" .
  11. ^ https://www.nrl.navy.mil/Portals/38/PDF%20Files/6-21FS-R_Electra_Lab_FacilityFS.pdf?ver=qXDAe01BqHdmjZjTlAScoQ%3D%3D [ blott URL PDF ]
  12. ^ "PALS (Prague, Tjeckien) - LASERLAB-EUROPA" .
  13. ^ Death Rays and Delusions September 2017 Utgivare: Peter Publications Gerald Yonas, ISBN 0692919554
  14. ^ Turner, TP, et al. "Senaste laserexperiment på Aurora KrF/ICF lasersystem." Lasers' 89 (1990): 10-14.
  15. ^ "Högmedelvärde driver laserprogram - mötesarkiv" .
  16. ^ Wolford, Matthew F., et al. "Kryptonfluorid (KrF) laserdrivrutin för tröghetsfusionsenergi." Fusion Science and Technology 64.2 (2013): 179-186.
  17. ^ "UKAEA bekräftar bärkraften av konceptet i hjärtat av fusionsenergireaktordesign | First Light Fusion" .
  18. ^ https://fire.pppl.gov/fpa05_olson.pdf [ bar URL PDF ]
  19. ^ https://www.lle.rochester.edu/media/publications/presentations/documents/APS06/Sangster_APS06.pdf [ bar URL PDF ]
  20. ^ Belanger, Raymond P. och Wayne J. Miller. "Beredning av glasskal." Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 3.3 (1985): 1270-1273.
  21. ^ Knight, Andrea K. Analys av de diskreta stadierna av bildandet av polyimidfilmer genom ångavsättning och deras effekter på filmens egenskaper. Vol. 68. nr 05. 2007.
  22. ^ "The LLE Cryogenics Facility Manual." Laboratoriet för laserenergi. https://www.lle.rochester.edu/index.php/omega-laser-facility-2/omega-laser-facility-documentation/cryo-and-tritium-facility/ .
  23. ^ Marshall, FJ, et al. "Direktdrivna, kryogena målimplosioner på OMEGA." Physics of Plasmas 12.5 (2005): 056302.
  24. ^ Sangster, T. Craig, et al. "Kryogena DT och D 2 mål för tröghetsinneslutningsfusion." Physics of Plasmas 14.5 (2007): 058101.
  25. ^ Sangster, T. Craig, et al. "Kryogena DT och D 2 mål för tröghetsinneslutningsfusion." Physics of Plasmas 14.5 (2007): 058101.

Vidare läsning

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inertial_fusion_power_plant&oldid=1122722288 "