Современные проблемы и перспективы ИТС
-
Upload
kelly-bryant -
Category
Documents
-
view
58 -
download
3
description
Transcript of Современные проблемы и перспективы ИТС
Современные проблемы и перспективы ИТС
Орлов Ю.Н.
(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 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 для Z-пинча горизонтальное и вертикальное сечения
18
Мюонный катализ
19
Физические условия μ-катализа
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.
20
Тяжелоионный синтез
21
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
22
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
23
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
24
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%
25
Этапы работы мишени
26
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
27
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
28
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
29
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
30
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
31
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)
32
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
33
Распределение температуры в бланкете
34
Волны давления в бланкете
35
Концепция
«синтез-деление-синтез»
36
ГИБРИДНАЯ МИШЕНЬ
37
Энерговыделение в уране (МДж) в зависимости от степени сжатия по радиусу
Отношение энергии деления к энергии синтеза в зависимости от степени сжатия по радиусу
38
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
39
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
mal u
raniu
m u
tiliz
atio
n
Pusher aspect ratio
40
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
41
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.
42
Невозможный термояд
43
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
44
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.
45
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.