Современное состояние и перспективы ИТС Орлов Ю.Н. ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, МФТИ

Орлов Ю.Н.
Д.ф.-м.н., член Совета РАН по анализу энергетических систем
ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, МФТИ
Современное состояние
и перспективы ИТС
Физика термоядерного
синтеза
2
Условия осуществления реакции
DT  n
Кулоновский барьер
e2
E  E0 
R0
mD mT
e2  2
E
 v , 
 1,2mn
r
2
mD  mT
R0  4  1015 m, E0  400keV  4  109 K
При T<E0 число реакций в ед. времени уменьшается:
 E 
N  N 0 exp   0 
 T 
Квантовое туннелирование
1,
v


2e
1
 2e 2 
D( v ) 
  2e 2
2e 2


2
exp 
, v 
v
 2e 
 v 
  1  v

exp 



 v 


2
1/ 3 
 


20
  27me4  


D  exp  
  exp   1 / 3
2 

T [keV ] 
  2T  



3
Основные реакции DT-синтеза
D  T  He 4 3.52   n14.07 
He 3 (0.82)  n( 2.45) , 50%
DD 
T(1.01)  H(3.02) , 50%
D  He 3  He 4 3.67   H14.68 
T(0.57 )  H(0.19 )
He  n  
2D  3.27
D  n  H  2n  2.22 0.2b 
T  n  D  2n  6.26 0.08b 
3
4
Сечения и энергия реакций синтеза
1. D  T   3,5  n (14,1) [17,6]
2. D  3He   3,7   p (14,6) [18,3]
 3 He (0,8)  n (2,5) [3,3]
3. D  D  
 T (1,0)  p (3,0) [4,0]
4. T  T   (3,8)  2n (7,5) [11,3]
5. T  3He  n (4,1)  p (4,0)   (4,0) [12,1]
6. p 11B  3 [8,7]
5
Деление быстрыми нейтронами
1 мг DT = 340 МДж
1 реакция синтеза = 17 МэВ
1 мг U = 80 МДж
1 реакция деления = 200 МэВ
6
Потребности энергетики
7
Стоимость извлечения
энергоресурсов
1,0E+06
Ресурс топлива, ЭДж
1,0E+05
1,0E+04
Нефть
Газ
Уголь
Уран-235
1,0E+03
Уран-238
кумулятивное потребление XXI век min
кумулятивное потребление XXI век max
1,0E+02
0,10
1,00
10,00
100,00
Стоимость извлечения, $/Гдж
8
Условия энергетически выгодного
ядерного синтеза
Критерий Лоусона
Удержание плазмы с концентрацией n
в течение времени  при температуре T>10 keV
n  1014 см 3с
Критерий инерциального удержания
Оптическая толща R плазмы плотности ρ
с характерным размером R должна быть
больше пробега α-частиц с энергией 3,5MeV
R  1 г  см 3
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 сеть
G
E fus
E pl
,
E pl   pl Ed ,
Ed  d Eel , Eel  T E fus
 G  100
9
Энергетическая концепция ИТС
10
11
Типы термоядерных реакторов
12
Токамак
Пробкотрон
Котел взрывного
сгорания
Z-пинч
Стелларатор
Обжатие лазером
13
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
Инжекция
толстых
струй, соль
Li2BeF4
Струйная
завеса,
эвтектика
Li17Pb83
Жидкая
пленка,
эвтектика
Li17Pb83
Мишенная
капсула, Li
Буферный
газ, Xe
Материал
первой
стенки
Сталь
Сталь
Пористый
SiC
Сталь
Графит
14
15
Камера реактора в проекте LIBRA-SP
16
Камера реактора в проекте Prometheus
PROMETHEUS-L
(1992):
SiC porous wetted
first wall.
Target yield 497 MJ,
Rep-rate 5.65 Hz,
Cavity radius 5 m.
17
Камера реактора в проекте KOYO-F
KOYO-F Reactor
(2006):
Cascade film flow
first wall.
Target yield 200 MJ,
Rep-rate 4 Hz, Cavity
radius 3 m.
18
Камера для Z-пинча
горизонтальное и вертикальное сечения
19
Мюонный катализ
20
Физические условия μ-катализа
Я.Б. Зельдович, С.С. Герштейн, 1960 г.
n  n (1GeV )  n  p    ( prob  0,83)
        ,    (2  106 c) e      e
m
me
 200 
DDe : L  108 см; DD : L  5  1011см
Образуются мезомолекулярные ионы DD, DT , ядра которых колеблются
на малых расстояниях одно от другого; время реакции туннелирования и
последующего синтеза 1 фс:
r 
2 3
m e 4
m DT 1
 10 12 c
m D( v )
С вероятностью 0,01 мюон после реакции DT++n подхватывается
ядром гелия и выводится из реакции.
Энергетическая эффективность реакции 0,2-0,4.
21
Тяжелоионный синтез
22
TARGET INJECTION
SHIELD
STRUCTURAL
WALL
COMPRESSING
HOLLOW BEAM
FOCUSING LENS
WETTED WALL
BEAM
BLANKET
Pb83Li17
DI
SP
ER
SE
TS
JE
COOLANT
POOL
D
TO VACUUM PUMP
IGNITION
TO HEATEXCHANGER
0
5
10 m
REACTOR CHAMBER FOR FAST IGNITION HEAVY ION FUSION
23
ТЯЖЕЛОИОННЫЙ ДРАЙВЕР
IS RFQ
Pt+198
}
Pt+196
}
Pt+194
}
RFQ
Wideroe
Pt +192
compressing
beam
Alvarez
Storage rings
Reactor
Chamber
}
Pt+192
Main linac
Pt-198
}
Pt-196
}
Pt-194
}
Pt-192
}
IS=ion
source
24
1
2
3
4
5 6
7
8
Мишень в концепции FIHIF
Cylindrical compression
by rotating ion beam



eam
b
n
o
i

DT




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…………………1GHz
25
Бланкет реактора
Распределение продуктов реакции по энерговыделению
Нейтроны
Рентген
Осколки
Всего на 1 микровзрыв
576 MJ
149 MJ
16 MJ
741 MJ
78%
20%
2%
100%
26
Этапы работы мишени
27
R-t diagram for cylindrical target computed by DEIRA-4 Code
6
DT-Pb interface
radius, mm
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
140
time, ns
28
1E31
1E30
1E29
1E28
1E27
1E26
1E25
1E24
1E23
1E22
1E21
1E20
94
0
10
Neutrons per energy group
Neutron on fluence, n/s
Нейтронный импульс и спектр
14 MeV
2.45 MeV
95
96
97
98
Time, ns
99
100
Target
First wall
Fourth channel
-1
10
-2
10
-3
10
0
2
4
6
8
10
12
14
Neutron energy, MeV
29
Рентгеновское излучение
250
Tx
50
Wx
X-ray energy, MJ; Power, TW;
Temperature, eV
Wx, TW; Tx, eV
200
150
100
50
Temperature
40
30
Power
20
10
0
200
0
X-ray energy
400
600
800
1000
1200
Time, ns
100
200
300
400
500
600
Time, ns
30
Разлет «осколков» мишени
Temperature, 106K
12 s
10 s
1.2
7 s
0.8
0.4
3 s
0.0
1
2
3
radius, m
4
5
31
R-t диаграмма вещества в камере
vapor
5
radius, m
4
atmosphere
3
2
fire ball
1
0
2
4
6
8
time, s
10
12
14
32
Динамика температуры в короне испаренного слоя
защиты первой стенки
12
Logarithm(T/T
0
)
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
Logarithm(time, ns)
33
Динамика испарения и конденсации
10
22
m
-3
8
Density, 2.4*10
6
4
2
0
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
Time, second
Изменение во времени концентрации теплоносителя в камере
34
Распределение температуры в
бланкете
35
Волны давления в бланкете
36
Концепция
«синтез-деление-синтез»
37
ГИБРИДНАЯ МИШЕНЬ
38
Отношение
энергии деления к энергии синтеза
Энерговыделение
в уране (МДж)
в зависимости в
отзависимости
степени сжатияот
постепени
радиусу сжатия по радиусу
39
Доля выгорания урана
Энерговыделение в уране (МДж)
в зависимости в
отзависимости
степени сжатияот
постепени
радиусу сжатия по радиусу
0,22
0,20
0,18
Fission utilization
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
Compression factor, x
40
Доляввыгорания
Энерговыделение
уране (МДж)урана при оптимальном сжатии
в от
зависимости
от аспектного
в зависимости
степени сжатия
по радиусу отношения пушера
0,24
0,22
Maximal uranium utilization
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Pusher aspect ratio
41
ОСНОВНЫЕ
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ПАРАМЕТРЫ ЯЭУ
ЯЭУ
Драйвер
Мишень
Ионы Pt
100 ГэВ
Профилированное энерговложение 12
МДж
Длительность
75 нс
Средняя мощность
160
ТВт
Топливо
DT 1,57 мг + 238U 214,4 мг
Усиление
57 (27+30)
Выгорание
60% DT+ 2%U
Камера
Взрывная секция
Секция конденсации
Расход теплоносителя
Бланкет
Теплоноситель
Li17Pb83
Толщина
0,5 м
Коэффициент усиления
1,1
Воспроизводство трития
1,1
Система очистки
теплоносителя
Выработка
электроэнергии
R=4м
R = 10 м
14 т/с
Очистка от продуктов деления
Очистка бланкета
239Np, 238U
T, 210Po
Трехконтурная схема, теплоноситель:
LiPb/Na/H2O
Кпд нетто
34%
Мощность (эл.)
470 МВт
42
КОНЦЕПЦИЯ «СИНТЕЗ-ДЕЛЕНИЕ-СИНТЕЗ»
Достоинства
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
Проблемные места
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
43
Невозможный термояд
44
Биологическая трансмутация
Идея
«В митохондриях клетки за счет перескоков электрона от Fe2+ к Fe3+
генерируется высокочастотное электромагнитное поле с частотой 1028 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.
45
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.
46
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.
47