聚变能的方法

从历史上看,两种方法为能源生产利用核聚变能源一直紧随其后。首先是磁聚变能源(MFE)创建“磁瓶”,需要保持等离子体的时间顺序一秒(陈,1974;谢菲尔德,1994)。最著名的例子是托卡马克装置,一个环形结构。(一个环形线圈是一个甜甜圈形状的配置,优先对大多数磁性融合应用,因为磁场线可以包围圆环面几乎无休止地没有拦截一堵墙。等离子体离子和电子流沿着磁力线在他们比他们更容易流动,所以等离子墙的损失率下降螺旋管)。第二种方法是惯性聚变能源(款项),今天使用强大的激光,压缩效果胶囊的聚变燃料所需的高的密度和温度聚变发生(Hogan, 1995)。对于人生,监禁时间是自爆的时间胶囊,秩序的纳秒(10 ~ 9 s):因此得名“惯性”融合。这些方法在科学发展的大致相似的阶段:磁融合了尽可能多的核聚变能量产生60%加热功率注入喷射的等离子体(欧洲联合环)托卡马克(沃特金斯,1999)。更好的约束已经证明在JT-60托卡马克在日本,但是没有氘氚燃料的使用,导致更少的代的聚变能(石田,1999)。 The inertial fusion program is constructing the NIF, National Ignition Facility, with a goal of demonstrating ignition and energy gain of ten near 2100 (Kilkenny et al., 1999). Ignition means that the 3.5 MeV alpha particles from fusion reactions deposit enough energy in nearby fuel to heat it to fusion energies, analogous to heating a log so that it ignites and burns. Energy gain is the ratio of fusion energy out to energy in.

一个通用的融合电厂图8.1 (a),由一个中央反应室(核心),包围一个包含锂约1公尺厚的毯子。全面执行两个功能:它产生氚燃料从中子与锂的交互,并从中子轰击它盾周围的结构。通过毛毯必须渗透

图8.1 (a)通用融合核心与毛毯/盾牌。(b)环形核聚变装置。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

提供注入燃料和能源MFE或缺点。这些可能会从一边如图所示,但更普遍的是两端甚至均匀分布在外围。外的毯子超导磁体磁聚变,beamlines惯性聚变。电厂在图8.1 (a)可以是球形或圆柱形。另一个主要几何研究环如图8.1 (b)。

8.3.1磁聚变能

许多概念在磁聚变研究了在过去的四十年里,重点强调了托卡马克在过去的二十年。托卡马克装置由外部应用环形磁场Bt,和一个环形等离子体电流创建一个极向磁场,英国石油(Bp)图8.1 (b)。变压器驱动在几乎所有托卡马克等离子体电流,与辅助当前驱动器通过无线电波或中性原子在许多toka-maks梁。额外的外部磁场应用提供垂直领域plasma-position控制和塑造,和可以提供偏滤器的几何图形,最外层的电场线达成偏滤器板允许从边缘等离子体杂质的去除。在过去的十年中,创新toka-maks大大提高了他们限制等离子体的能力。ARIES-RS,图8.2中,这些创新适用于改善电厂核心(Najmabadi, 1998)。

托卡马克装置保持拒绝被一笔勾销为过于庞大和复杂,和已经达到的性能水平,使燃烧等离子体实验的建设。(燃烧等离子体是阿尔法粒子的核聚变能量加热等离子体的速度超过了外部加热的权力。)考虑潜在的实验包括短期

图8.2 ARIES-RS托卡马克电厂。由Farrokh Najmabadi,加州大学圣地亚哥分校。

脉冲(几秒钟)机器正常导电磁铁和长脉冲与超导磁体(成千上万秒)的机器。前者的一个例子是火(聚变点火研究实验)(PPPL, 2000)价格约为1 - 1.5美元- b。后者类型的机器以ITER(国际热核实验反应堆)(1999年Shimomura)正在研究国际融合的社区。ITER工程将全面试验反应堆工程组件和测试的能力,因此,携带的迷你- 5-10B美元根据性能需求。这种燃烧等离子体实验将使现存的许多物理问题研究发电厂。然而,目前缺乏low-activation材料阻止常规托卡马克装置在一个环境吸引力电厂路径。目前,因此,它应该被认为是一个物理和技术实验中,不是一个电站原型。

仿星器是一个环形磁场配置所有的磁场是由外部线圈。它有优势的托卡马克装置不需要电流驱动,而不是中断(中断,

图8.3 Spheromak配置简单的几何形状,更兼容液体墙壁,比设备环形毯子。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

等离子体电流衰减在几十毫秒,比平时更快,产生大部队在墙上)。仿星器线圈更复杂;但是,模块化的类型,多个版本的potato-chip-shaped线圈不困或与其他线圈,所以可以更容易地拆卸维修。作为一个发电厂,它的股票大部分的托卡马克装置的其他特征,电力成本,预计将产生相似。

其他磁配置被描述为自组织,因为更多的电流产生的磁场是由等离子体本身(赖尔登,1999)。例如,spheromak环形和极向电流分别创建极向和环向磁场。spheromak等离子将持续一段时间当放置在一个能够进行的墙壁携带电流。锅毯子spheromak,图8.3,很简单,但使用一个金属壁分离液体从等离子体;这堵墙将限制功率密度,并将受损,由中子激活。在其他的概念,对等离子体旋转液体。另一个磁性配置field-reversed-configuration (FRC)

这只生成一个极向场与等离子体电流,并沉浸在一个轴向磁场。

我们刚刚机密程度磁场的磁瓶是由外部线圈电流和等离子体中的电流。另一个有用的分类标准是商会的拓扑结构:一个圆柱体,球体,或螺旋管;如果后者,所需的结构在中心孔的环形结构。融合的最小大小电厂的核心是大大增加了这样的结构,因为它一般包括超导磁体线圈必须屏蔽中子14兆电子伏。中子盾牌约1米厚,图8.1中,在4 K降低制冷需求,以及减少中子损伤,从而延长绕组的生活。因此,中央孔必须有一个最小直径约2米,和小,高功率密度融合核心不可能有这样的几何图形。

环形一些概念,如球形托卡马克装置,避免此限制使用无防御的室温磁铁线圈中心的腿。这使得中心腿直径远小于1米。在确定球形托卡马克的吸引力,一个需要评估的影响循环功率驱动中心的腿,和定期更换的经济和环境后果激活中心导体。

我们现在使用这些分类来进一步讨论两个潜在吸引力监禁的示例配置。更紧凑的结构,没有结构的中心,如spheromak或英国财务报告理事会,将提供一个低成本的发展道路,降低电力成本和小体积的活性材料,如果适当的约束可以实现。我们目前的知识限制这个类属性较差。融合项目今天是建立小型实验,将测试这些概念与更好的电厂潜力,以确定他们是否可以把等离子体足够好。这扩大的政策最后15年的发展只有托卡马克装置,因为它有最好的监禁和是最好的理解,以便其发电厂规模的约束和性能可以自信地预测。

反向场箍缩(RFP)也在很大程度上是自发的,但需要磁铁线圈内的甜甜圈洞。因此需要一个更大的融合核心和看起来更像一个托卡马克装置,除了应用环形磁场较低。尽管rfp可能减少潜在的发电厂,他们已被证明是卓有成效的提高我们的物理理解这些自发的配置(普拉格,1999)。

spheromak和FRC MFE配置最有可能兼容浆墙;因为他们简单边界形状使液体形成墙壁不困难,和他们的等离子体密度高更有可能承受的高蒸气压液体。和许多配置一样,spheromaks获得稳定的等离子体压力墙;液体的墙壁是否太容易推到一边的等离子体还有待确定。即使不存在稳态解,脉冲配置可能有吸引力,如果他们的重复频率足够高,以减少热循环在液体中经营蒸汽循环(Fowler et al ., 1999)。

磁聚变是磁化的极端脉冲限制目标融合,MTF(德雷克et al ., 1996),这很大程度上符合新的利基MFE与缺点。MTF使用磁场来减少电子热传导,从而允许等离子体密度数量级低于与演练,但随着等离子体密度和磁场施加压力太大限制在一个稳态装置。因此,一些结构的每个镜头必须更换。结构的等离子体很小,相对便宜,允许多个封闭几何图形计算在一个设施。点火的发展路径可能是最便宜的融合概念。发电厂的路径是不太清楚,但可能包括可更换结构冻结的液体和/或紧密耦合液体墙壁,融合收益率超过十亿焦耳,和重复率低于每秒,允许重载的时候了。

8.3.2惯性聚变能源

惯性聚变(Hogan, 1995)需要在短时间内沉积能量(小于10纳秒的时间光旅行3米或10英尺。)的外部效果胶囊。胶囊的外面吹在高速度,导致其余的胶囊火箭向内。这对高压缩燃料密度和温度,目标是达到足够高值点燃核聚变燃烧。

惯性聚变的特点是直接或间接驱动,图8.4。直接驱动,聚变燃料的能量压缩胶囊事件直接的外胶囊。用激光实验表明,能量必须非常均匀的表面胶囊为了整个表面在同一速度,火箭向内要求如果胶囊期间保持球形压缩。变化的速度非均匀照明驱动振幅波大,所谓的表面瑞利泰勒不稳定性。等波防止胶囊压缩一个球体半径10 ~ 30倍的获得融合所需的能量。

图8.4直接驱动能量是直接在舱外的事件。间接驱动能量沉积腔的墙上,升温和发出x射线照射胶囊。可以通过激光驱动或离子光束。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

图8.4直接驱动能量是直接在舱外的事件。间接驱动能量沉积腔的墙上,升温和发出x射线照射胶囊。可以通过激光驱动或离子光束。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

图8.4,间接驱动的能量沉积在里面可以或腔(德国“radiation-room”),其中包含胶囊。几百的能量产生软x射线电子伏特(几百万开尔文)能量,反映的墙壁可以和均匀照亮胶囊。这类似于间接照明,创造了一个相对统一,漫射照明与直接照明,更有效,但创建一个高对比度照明。直接驱动同样更有效率,因为能量是不消耗在加热腔的内部。间接驱动更兼容液体壁融合室设计,因为光束可以聚集来自一个或双方,而不是均匀分布于表面的球室。

惯性聚变也是分类的,它所使用的驱动程序的类型。到目前为止,实验用激光;大多数这些flashlamp-pumped固态激光电效率较低(订单10 ~ 3 - 10 ~ 2)和低重复率~每天10次。几个实验还用z-pinch辐射源或光离子。其他司机正在研制。全固态(二极管抽运固体激光器)应该交付效率接近10%,和重复率10赫兹。电子束注入气体激光器,如KrF(氪

图8.5 HYLIFE-II重离子驱动,惯性聚变电厂。工厂布局展示了司机,目标和室。使用液体喷射保护融合室导致长寿命,低成本、低环境影响。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

图8.5 HYLIFE-II重离子驱动,惯性聚变电厂。工厂布局展示了司机,目标和室。使用液体喷射保护融合室导致长寿命,低成本、低环境影响。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

氟化物),效率高。重离子加速器驱动惯性聚变能源候选人有吸引力,建立在丰富的经验与高能物理和核设施。他们承诺效率高、重复率高、寿命长,最后和磁光学聚焦光束到目标(bangert, 1999)。与激光器需要的镜子或镜头相比,磁光学相对免疫目标爆炸的影响,因为中子,x射线,和碎片可以通过光圈的磁铁,磁铁线圈时屏蔽。所需的高束电流与重离子融合是一个新奇而有挑战性的元素对加速器和聚焦系统。目标设计开发了激光和离子的司机,如图8.4所示,预计二维条码有合理的收益(100点附近)电厂。

重离子驱动,惯性聚变电厂是如图8.5所示。它的特点是模块化,司机室,目标加工厂,和目标注射器都是分开的。浆墙在腔内,由飞机Flibe,附上反应区域,防止固体腔壁中子和冲击波。

机上娱乐系统提供了一个范式转换,即从MFE托卡马克装置在两个地区。首先,这地方的大部分驱动程序的复杂性,从融合分离室,而MFE包含大部分的复杂性立即融合室。这提供了人生与潜在优势(a)减少开发成本,允许独立室和驱动程序模块升级,和(b)减少运营成本通过提供更高的可用性工具。更高的可用性是可能的因为融合室内的复杂性是最小化,和维修系统外的中子屏蔽可以更加迅速,在某些情况下,即使司机继续操作(Moir et al ., 1996)。第二,间接驱动人生(重离子或可能激光)提供了潜在的一生融合室与可再生液体冷却剂所面临的目标,而不是固体,墙可以被下的热量和辐射。以这种方式保护,所有的室结构材料将是一生的组件。他们的微小残留放射性意味着最终融合植物的生活,大部分的材料是可以回收的,而不是要求地下处置。

然而,常规托卡马克装置的技术和工程能力是发电厂所需的水平附近。这不是人生的理由,也没有MFE替代概念,今天的实验进一步从发电厂的技术。哲学的结果呈现在这里,是在寻找更有吸引力的概念融合,我们将聚变能进一步推向未来。我们相信,在未来进一步比从来没有。“永远”是试图建立电厂的可能结果,公众并不出售。

概念,可以大大降低司机能量快速点火器(Tabak et al ., 1994)。与传统的演练,胶囊被高度压缩加热点燃中心,图8.6。快速的点火器,胶囊是中等密度高而温度低的压缩。然后加热到点火的一部分通过很短的能量脉冲持续时间以皮秒(1000000秒的1000000)。热点加热周围的区域,融合通过燃料燃烧传播,图8.6 b。这个概念可以给收益(融合能量驱动能量的比率)的5到10倍高于传统的机上娱乐系统。放松的压缩率允许较低的能量,因此司机便宜,导致较低的电力成本(COE)。然而,一些困难必须克服第一:司机必须通过等离子体钻孔周围的胶囊,然后交付快点火脉冲通过孔和专注

图8.6惯性约束聚变的目标使用“快点火”概念,显示激光或重离子司机梁(箭头)和快点火激光聚焦在目标从左边。照明几何图形是(a)直接驱动对称照明和(b)间接驱动,从一端照明。(一)点火激光穿透了上覆等离子日冕加热前的目标。在(b)使用锥腔内聚焦,等离子排污是排除在点火器激光路径和驱动激光可以集中在房间的一端。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

图8.6惯性约束聚变的目标使用“快点火”概念,显示激光或重离子司机梁(箭头)和快点火激光聚焦在目标从左边。照明几何图形是(a)直接驱动对称照明和(b)间接驱动,从一端照明。(一)点火激光穿透了上覆等离子日冕加热前的目标。在(b)使用锥腔内聚焦,等离子排污是排除在点火器激光路径和驱动激光可以集中在房间的一端。由加州大学的劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部在谁的主持下进行工作。

一个很小的规模,在正确的时间,与公差小于100秒(100 X 10 ~ 12 s)。

快点火的机上娱乐系统和提到的几个新MFE概念创新的例子可能显著增加吸引力和降低发电的成本从一个核聚变发电厂。甚至近50年的融合计划,新想法继续出现;老,以前拒绝,思想成为有吸引力的新技术。

惯性约束聚变科学理解将明显先进在下个世纪初建成并投入运营的NIF(美国国家点火装置)在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室,和激光兆焦(LMJ)设施在法国(基尔肯尼)。NIF可能是第一个实验室设备实现聚变点火——当其剩余问题,目前云实现点火的成本和进度,解决(Malakoff和劳勒,1999)。尽管NIF和的主要任务LMJ国防相关,表明惯性聚变能源的重要衍生效益是可行的。利用这个演示需要一个平行的努力在发展中合适的和具有成本效益的司机和钱伯斯机上娱乐系统。

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