Sekcja 2Inżynieria fuzji

Paliwo aneutroniczne i kompaktowe maszyny, do których pasuje

Uniwersytet do laboratorium narodowego. · 2 min czytania

Co proponuje

Spalaj proton i bor-11 zamiast deuteru i trytu. Reakcja daje trzy jądra helu i 8,7 miliona elektronowoltów bez żadnych neutronów w głównym kanale, więc produkty wracają jako naładowane cząstki, które można zamienić wprost na prąd, zamiast neutronów, przed którymi trzeba się osłaniać i których szkody ograniczają żywotność maszyny. Paliwo aneutroniczne zmienia też, jaki rozmiar maszyny ma sens — mały, czysty i szybki w iteracji, zamiast skali gigawatowej.

Dla kogo jestInżynierowie plazmy · Projektanci elektroniki mocy · Konstruktorzy detektorów

Zanim pojawi się jakakolwiek maszyna, paliwo stawia wymagania. Proton i bor-11 żądają znacznie większej energii jonów niż paliwa łatwiejsze, a ta energia jest płacona promieniowaniem, które podbija sam ładunek paliwa. Przejdź poniżej po czterech wymaganiach, każde z artykułu już cytowanego przez tę kartę, a rozmiar i rodzaj maszyny, która im odpowiada, przestają być kwestią upodobania.

Drabina protonowo-borowa

Proton i bor-11 dają trzy jądra helu, 8,7 miliona elektronowoltów i żadnego neutronu w kanale głównym. Ta nagroda jest okupiona czterema wymaganiami, które paliwo stawia przed wszystkim innym, a każde z nich zawęża rodzaj maszyny zdolnej im sprostać. Przejdź po szczeblach: jak energetyczne muszą być jony, ile ten żar kosztuje w promieniowaniu, dokąd musi sięgnąć iloczyn trzech wielkości i które maszyny osiągnęły gęstość oraz pole. To, co karty podają jako stosunek, a nie jako wielkość, jest rysowane jako stosunek — i jest to powiedziane na samej twarzy rysunku.

Cztery wymagania, po kolei

1 · Energia jonów, której żąda reakcja2 · Ile ta energia kosztuje w promieniowaniu3 · Iloczyn trzech wielkości4 · Które maszyny osiągnęły gęstość

Jak energetyczne muszą być jony?

Nie narysowano, i dlaczego. Trzydzieści razy temperatura deuteru z trytem. Artykuł podaje stosunek i żadnej z dwóch temperatur, więc stosunek jest rysowany jako klamra i żadne drugie paliwo nie jest umieszczane na tej osi. Deuter z trytem pojawia się dlatego, że ten artykuł używa go jako własnego punktu odniesienia — paliwa kandydującego o najniższej temperaturze pracy — i z żadnego innego powodu. Przeczytaj artykuły, z których pochodzą te liczby (po angielsku)Nic tu nie porusza się samo. Rysunek zmienia się tylko wtedy, gdy wybierzesz inny szczebel.

Spalanie protonu z borem-11 wymaga średnich energii jonów znacznie powyżej 100 keV, a Magee ze współpracownikami określa temperaturę, jakiej potrzebowałby reaktor termojądrowy na tym paliwie, na trzydziestokrotność temperatury deuteru z trytem — który nazywają paliwem kandydującym o najniższej temperaturze pracy i używają jako swojego punktu odniesienia. Maszyny sięgnęły tego pasma: FF-1 firmy LPPFusion zarejestrował średnią energię utrzymanych jonów 240 keV, a Large Helical Device wytworzył swoje protony wiązkami wodoru o napięciu 160 kilowoltów. Energia nie jest już tą przeszkodą, którą była.

Maszyny, które te wymagania wybierają

Pierwsza oś to średnia energia utrzymanych jonów, a nie temperatura; to dwa różne pomiary i ten rysunek nigdy nie zapisuje jednego jako drugiego. Tam, gdzie iloczyn z trzeciego szczebla używa średniej energii jonów w miejsce temperatury, ten krok należy do samego źródła i w źródle jest uzasadniony.

To paliwo jest trudniejsze niż deuter z trytem i mówią to jego właśni zwolennicy w rysowanych tu artykułach. Magee ze współpracownikami ujmuje to dokładnie: droga protonowo-borowa wymienia późniejsze trudności inżynierskie na dzisiejsze trudności fizyczne. Tym, co kupuje się za te trudności, jest reakcja, której produkty wracają jako cząstki naładowane dające się przetworzyć bezpośrednio, w maszynie na tyle małej, by dało się na niej iterować.

Każda liczba powyżej i karta, z której pochodzi

Dlaczego biblioteka to podpowiada

Umieść maszyny, które wymienia ta karta, na płaszczyźnie, na której cała dziedzina dokonuje wymiany — gęstość jonów na jednej osi, czas utrzymania na drugiej, a każde położenie to rząd wielkości, nie rekord.

Wszystkie maszyny fuzyjne na jednym wykresie

Każda maszyna w tym rozdziale odpowiada na to samo pytanie inaczej: utrzymać materię dostatecznie gęstą, dostatecznie energetyczną i dostatecznie długo, aby jądra się połączyły. Ponieważ te trzy czynniki wymieniają się między sobą, rodziny maszyn rozkładają się wzdłuż przekątnej — pułapka magnetyczna trzyma rzadką plazmę przez sekundę, napęd inercyjny trzyma plazmę ogromnie gęstą przez ułamek nanosekundy, a pinch mieści się pomiędzy nimi. Wybierz rodzinę, potem maszynę, i przeczytaj, co ona ściska i jak długo.

Sposób utrzymania plazmy

Maszyna

Obok osi: żadna z tych trzech liczb nie jest opublikowana

3. Century, Zap Energy

Nachylona linia to iloczyn gęstości i czasu utrzymania, który plazma deuterowo-trytowa musi osiągnąć w temperaturze zakładanej przez tę poprzeczkę. Maszyny powyżej i na prawo od niej mają ten iloczyn; cała sztuka w tej dziedzinie polega na dojściu tam maszyną, która to przetrwa.Obie osie są logarytmiczne, a każde położenie jest rzędem wielkości: to zakres pracy danej rodziny, a nie rekordowy strzał ani cytat. Wykres porównuje architektury. Nie jest tablicą wyników, a przesunięcie jednej maszyny o trochę wzdłuż którejkolwiek osi nie zmieniłoby tego, czego uczy.Jedna z maszyn jest tu wymieniona obok osi, a nie narysowana na niej. Jej własny artykuł nie podaje ani gęstości jonów, ani temperatury plazmy, ani czasu utrzymania, więc nie ma dla niej uczciwego miejsca na tych osiach. To, co podaje, wypisano obok w całości. To puste miejsce jest właśnie lekcją: maszyna może być prawdziwa, działająca i dobrze opisana, a mimo to nie mieć pozycji na tym wykresie.Nic się tu nie porusza samo z siebie. Wykres zmienia się tylko wtedy, gdy wybierzesz rodzinę albo maszynę.

Wybrana maszyna

Z-pinch ze ścinanym przepływem, FuZE

Co ściska ta maszyna: Ścinany przepływ osiowy uspokaja kolumnę, a neutrony wychodzą równomiernie, dopóki ona trwa.

Gęstość jonów, cząstki na metr sześcienny:: 10²³
Trzymane przez:: 10^-5 s
Energia jonów:: 1,8 keV — temperatura jonów w plazmie
Iloczyn potrójny: gęstość razy energia razy czas utrzymania:: 3,5 rzędów wielkości poniżej poprzeczki deuter-tryt

Karta źródłowa publikuje wartości gęstości i czasu utrzymania, które umieszczają ją na tym wykresie. Wartość energii pokazano osobno. Położenie pokazuje opublikowany reżim, a nie deklarację osiągów ani zysku netto. Opisane doświadczenie znajdziesz w karcie źródłowej.

Otwórz kartę źródłową tej maszyny (po angielsku)

TAE Technologies i japoński National Institute for Fusion Science wytworzyły pierwszą fuzję proton-bor-11 wewnątrz plazmy uwięzionej magnetycznie, wsypując proszek boru na brzeg Large Helical Device i wystrzeliwując trzy wiązki wodoru 2 MW przy 160 kilowoltach; detektor krzemowy poza bezpośrednią linią widzenia plazmy zliczył około 150 000 produktów fuzji na sekundę przy obecności boru i poniżej tysiąca bez niego (First measurements of p11B fusion in a magnetically confined plasma, 2023). Ich własny wniosek nazywa dźwignię, na której zależy tej stronie: tempo można podnieść, inżynierując rozkład cząstek, a nie tylko podnosząc temperaturę. Gęste ognisko plazmowe LPPFusion raportuje średnią uwięzioną energię jonów 240 kiloelektronowoltów — w zakresie, jakiego potrzebuje proton-bor-11 — z plazmoidu o szerokości zaledwie dziesiątek mikrometrów, trzymającego dużą część całej energii maszyny, przy czym produkty wyłaniają się jako wiązka jonów w jedną stronę i wiązka elektronów w drugą, więc prąd jest indukowany wprost w cewce (Focus Fusion: Overview of Progress Towards p-B11 Fusion with the Dense Plasma Focus, 2023). Zlecenie robocze dla pierwszych strzałów dekaboranem, z już zainstalowanymi przyrządami, to Preparations for pB11 tests in the FF-2B dense plasma focus (2024). Po stronie kompaktowej, konfiguracja z odwróconym polem z Princeton trzyma swoją plazmę wewnątrz zamkniętych linii pola, które plazma w dużej mierze tworzy sama dla siebie, w rurze cztery do ośmiu metrów długości, podgrzewanej wirującym polem magnetycznym o nieparzystej parzystości; PFRC-2 podgrzało elektrony powyżej 500 elektronowoltów i utrzymało plazmy przez 300 milisekund (The Princeton Field-Reversed Configuration for Compact Nuclear Fusion Power Plants, 2023), a Samuel Cohen przedstawia sprawę dla całej tej klasy rozmiaru komisji, która ustala priorytety dekady, w FESAC Decadal Study: Clean, multi-purpose fusion power from small field-reversed configuration reactors (2024).

Eksperyment albo budowa

Bliski szczebel to konwersja bezpośrednia, nie zapłon. Weź istniejącą maszynę, która wytwarza naładowane produkty fuzji przy jakimkolwiek tempie, i uzbrój w przyrządy samo zbieranie: umieść cewkę albo zestaw spolaryzowanych siatek na drodze produktów i zmierz energię elektryczną odzyskaną na zdarzenie fuzji. Pomiarem rozstrzygającym są dżule energii elektrycznej wyjściowej na dżul energii produktów fuzji, na prawdziwej maszynie, z wydajnością zbierania podaną osobno od uzysku fuzji. Ta liczba jest całym argumentem ekonomicznym za paliwem aneutronicznym i niemal nigdy nie jest publikowana.

Kontekst badań

Fuzję proton-bor-11 zmierzono w plazmie uwięzionej magnetycznie i w akceleratorze, kompaktowe maszyny istnieją jako sprzęt, a żadna maszyna aneutroniczna nigdzie nie osiągnęła zysku netto.

Podejmij tę kartę

Pomiar, który rozstrzyga: Pomiarem rozstrzygającym są dżule energii elektrycznej wyjściowej na dżul energii produktów fuzji, na prawdziwej maszynie, z wydajnością zbierania podaną osobno od uzysku fuzji.
Ile kosztuje start: Uniwersytet do laboratorium narodowego.
Inżynier, którego kształtuje: Problem konwersji bezpośredniej w szczególności jest problemem inżynierii elektrycznej ukrytym wewnątrz dziedziny fizyki plazmy.

Na czym się opiera