核聚变反应堆实验进展综述及在建工程综述
EURC

作者:格雷厄姆•布伦南运输方案经理,赛伊

首件研究了物理,聚变能的固有安全性和环境效益超过它的竞争裂变能。围的挑战,综述了等离子体加热到1.5亿K。在第二篇关于聚变能的文章中,与实验反应堆所取得的进展将回顾和总结下工作方式扩大电站规模将融合能力。

这将最终为我们提供一个时间表核聚变能量终于可以被连接在电网。

实验反应堆


苏联在20世纪60年代末展示了非常有希望的核聚变结果托卡马克装置”磁约束反应堆。很快就成为许多研究者的标准,据估计,全世界大约有三十托卡马克实验反应堆操作。

聚变等离子体,电子和离子的混合输入燃料时形成原子被加热到数百万度,可以在几秒钟内建立。所以一个反应堆设计研究等离子体的物理只需要运行时间短脉冲。随着等离子体需要大量热量达到融合温度和磁铁必须产生一个稳定领域大量,大量的直流电源需要运行这些反应堆。

1983年进入服务,最大的测试反应堆之一是欧洲联合环(飞机),总部设在英国牛津郡(无花果。1)。它只运行40秒脉冲的地方大量需求对当地电网巨大的飞轮系统,在某种程度上抵消。1997年飞机达到16兆瓦的融合输出功率(当前世界纪录)的输入功率24兆瓦。

它的体积是100米和一维形状截面最大截面半径为2.1米。开始操作,反应器被泵入真空水平,以去除空气分子和任何其他可能破坏等离子体的杂质。而温度1.5亿K的核心等离子体的方法,压力只是接近大气压纤细的20×10的密度5G/M.

磁铁保持等离子体远离墙壁,然而,封闭场在分流器通道底部附近形成一个截止点(见图1)。这里一个重大的挑战是开发材料和冷却系统在持续高温下可以操作时防止被困废料和杂质重新进入等离子体领域。

无花果。1复合飞机的照片与聚变托卡马克反应堆运行叠加。明亮的粉红色部分是等离子体冷却和回到non-ionised状态。中间的聚变等离子体光谱中不可见。底部的分流器通道用于提取废氦气。

无花果。1复合飞机的照片与聚变托卡马克反应堆运行叠加。明亮的粉红色部分是等离子体冷却和回到non-ionised状态。中间的聚变等离子体光谱中不可见。底部的分流器通道用于提取废氦气。

正如在第1部分中所讨论的,核聚变反应后,当氘(d)和氚(t)(氢同位素)的原子核结合在一起时,中含有的能量融合产生的氦的动能(20%)和中子(80%)组件。据说等离子体“点火”发生在等离子体,仅通过氦成分,产生足够的热量来加热本身完全和外部能源供应减少到零。

然而,的大部分能量都包含在反应堆的中子,苍蝇和捕获在一个水毯产生蒸汽,然后电。因此没有必要实现点火为了融合过程可以产生正能量净收益。

因此,研究人员定义了一个称为能量增益率(Q)的参数来测量反应堆产生有用功率的能力。问是计算总核聚变能量除以0.7飞机的外部能源供应。这个值代表了测试反应器当前范围的性能。

无花果。2说明了迄今为止在实验反应堆方面取得的进展。而下一个主要目标是构建一个反应堆可以达到10的问,它被认为是一个商用的反应堆当作需要20或更多的问。注意,如果点火了,问将接近无穷不需要外部加热。

无花果。2三重积一系列实验与Q获得乐队蒸燃料。ITER目标得到Q = 10,“在”点火”趋于无穷时的外部热供应减少到零

无花果。2三重积一系列实验与Q获得乐队蒸燃料。ITER目标得到Q = 10,“在”点火”趋于无穷时的外部热供应减少到零

两个重要的教训已经从所有的试验反应堆工作。首先,更好的计算机模型使科学家能够设计出等离子体稳定性更好的反应堆。其次,通过parameterising每个测试托卡马克反应堆,实证设计规则被发现表明,获得的能量的大小设备密切相关。

这是比较直观的,当我们考虑到氦粒子造成的蒸聚变反应提供了直接加热等离子体。考虑到所涉及的巨大速度,更多的空间粒子穿过(即。反应器的体积越大,它的动能转移到等离子体中的可能性越大,而不是在反应器和废气的壁中丢失。

国际热核实验反应堆(ITER)项目


ITER项目开始后,里根和戈尔巴乔夫在1985年与包括欧盟和日本。它已经发展到包括中国,印度和韩国。它的主要目标是证明核聚变能量可以产生500兆瓦反应堆热与外部能源输入50 mw导致10的问。它被设计为连续运行时间的6 - 50分钟根据目标功率远远超过实验反应堆。

重要的是,不会安装外部发电设备,因此无法发电。它的目的是用来证明加热,等离子体控制,未来核聚变电站所需的诊断和远程处理维护程序。虽然气温将是相似的,等离子体密度和压力将达到两倍的喷射实验反应堆。ITER圆环体的体积为840米。最大横截面半径为6米。

较小的实验反应堆设计用于非常短的爆炸。包含所需的高磁场等离子体是由强大的直流电流。这些电流导致线圈导线成为危险热因为欧姆加热。为了避免这种情况,ITER的设计者选择使用超导线电磁铁也导致很高的磁通密度。

由于超导体线圈不产生电阻,这意味着磁铁可以以非常高的电流运行。然而,这意味着电线必须冷却到低温下成为超导之前-269°C。电线本身铌合金、锡和线圈与液态氦冷却内部。然而,如果线圈包含杂质或经历过度埃迪电流,它可能突然停止超导,并再次成为正常的电阻,导致“磁猝灭”和过程的重大中断。

这些线圈需要一个特殊的制冷设备将氦气冷却到所需的温度。氦直接通过线圈的核心泵送。里面的磁铁组件坐热毛毯减少中子的加热效果。

为了产生连续操作,磁铁和外部加热系统需要向其提供大的直流电流。ITER 400千伏电力供应可用。

无花果。3说明ITER反应堆用水冷却系统用于吸收500兆瓦的聚变反应产生的热量。这蒸汽可以用来发电在以后的版本。一个单独的制冷装置是用来冷却液态氦注入在超导磁体线圈

无花果。3说明ITER反应堆用水冷却系统用于吸收500兆瓦的聚变反应产生的热量。这蒸汽可以用来发电在以后的版本。一个单独的制冷装置是用来冷却液态氦注入在超导磁体线圈

ITER的另一个重要的目标将是证明持续生产蒸的一半燃料的氚聚变反应所必需的。当锂的同位素中子,它产生氚核反应堆附近可以收集和储存。

ITER将包括管道泵流体混合物含有锂在反应堆外的暴露在中子轰击。所产生的氚将从流体中提取出来,并储存起来,供以后用于聚变过程的燃料。

大部分反应堆中子通过墙壁和由周围的水停止毯子然后吸收的热量融合的过程。在一个发电电厂,这个蒸汽通过涡轮机发电。然而,ITER将简单地测量可用的加热功率,并在水返回反应堆之前冷却水(见图3)。

预计总成本超过€150亿年由每个国家实物福利的贡献。在法国卡达拉奇的现场已经开始施工,预计2020年将进行第一次等离子测试(图4)。爱尔兰参与ITER通过欧盟能源集团的融合。我们正在参与等离子体研究和爱尔兰公司可以收购ITER合同。

商业前发电站


从ITER加大,试运行电厂将被要求证明连续电力生产。这座核电站需要证明反应堆材料能够完好地保存多年。通过与金属基体原子的碰撞,连续中子轰击导致不连续的形成会导致创建或扩大结构性裂缝。

这被称为中子脆化。其次,等离子体必须保持稳定,避免烧焦反应器壁。反应堆的墙壁可能需要液态金属冷却系统,以允许连续工作寿命。如果发生重大损害一堵墙,远程处理设备将被要求删除墙段,代之以一个新的组件造成重大的停机时间。

几年的操作在电站代表输出需要的水平。运营成本和可靠性之前必须证明令人满意的商业投资可能发生。

欧盟正在考虑建立一个示范电力(示范)工厂,以便ITER跟进。早期设计研究表明目标输出为1,500兆瓦的热量Q = 25。从这个热功率,演示的目标将产生500兆瓦的电力。为了实现这一目标,它必须大于15% ITER等离子体密度高30%。可以在2024年完成详细设计和操作将在2033年开始假设ITER顺利。认为商业反应堆可以建立演示项目的价格的四分之一。

无花果。在法国4 ITER聚变反应堆在建坑

无花果。在法国4 ITER聚变反应堆在建坑

展望商用反应堆,研究人员正在试图建立组件测试实验室将允许选择从而抵制中子反应堆材料脆化和生产反应堆外壳与短长期中子活化后的辐射水平。

在日本,国际核聚变材料辐照设施(IFMIF)项目已经开始,该项目将能够在模拟核聚变反应堆内部的环境中测试先进的反应堆材料。

结论


本文专注于核聚变研究与托卡马克反应堆,那是最发达的融合选项。当然,还有其他方法和方法被研究和突破总是可能的。

ITER会做大部分的工作在2020年到2030年,将是一个重要的跳板交付一个反应堆持续发电的能力。在商业投资者对这项新技术冒险之前,需要一个商业化前的反应堆来显示10到20年的连续运行。因此,如果这个电演示可以在2030年代开始运营,它可以看到第一批商业反应堆在20世纪50年代初开始运行。

欧盟致力于减少排放的电力部门到2050年将接近于零。因此,我们的能源需求将越来越多,热量和运输等电需求可以让我们减少排放的能源模式。

而像爱尔兰这样的小国家丰富的可再生能源利用,大型工业国家,如英国和德国需要技术,如碳捕捉和封存与核裂变来满足这一目标的零排放。英国最近宣布3.2 gw欣克利的继续裂变反应堆花费€250亿。

Fusion Power可能刚好在合适的时间接入这一清洁能源网络,并为我们提供更大的信心,使我们进入一个几乎无限无污染能源的未来。人类社会进步可以无限制的能源资源可能导致我们的世界发展的新阶段。

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作者:格雷厄姆•布伦南运输方案经理,SEAIThe第一篇文章研究了物理,聚变能的固有安全性和环境效益超过它的竞争裂变能。围的挑战,综述了等离子体加热到1.5亿K。在第二篇关于聚变能的文章中,取得的进展…