Linus (eksperyment fuzyjny) - Linus (fusion experiment)

Technik patrzy przez środek reaktora NRL Linus-0

Program Linus był eksperymentalnym projektem dotyczącym energii termojądrowej opracowanym przez Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NRL) rozpoczętym w 1971 roku. Celem projektu było wytworzenie kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej poprzez ściskanie plazmy wewnątrz metalowej wyściółki. Podstawowa koncepcja jest dziś znana jako fuzja namagnesowanego celu .

Projekt reaktora oparto na mechanicznym ściskaniu wykładziny ze stopionego metalu. Komora byłaby wypełniona stopionym metalem i obracana wzdłuż jednej osi, tworząc w środku cylindryczną wnękę. Odpowiednie paliwo termojądrowe, podgrzane do stosunkowo niskich temperatur w celu przekształcenia go w plazmę, jest wtryskiwane do środka wnęki. Metal jest następnie szybko zapadnięty, a ze względu na zachowanie strumienia magnetycznego w metalu, plazma zostaje zamknięta w powstałej zapadającej się powłoce i sama ulega zapadnięciu. Proces adiabatyczny podniósłby temperaturę i gęstość uwięzionej plazmy do warunków fuzji .

Zastosowanie wkładki z ciekłego metalu ma wiele zalet w porównaniu z poprzednimi sowieckimi eksperymentami, w których implodowały cylindryczne wkładki z litego metalu w celu uzyskania fuzji o wysokiej gęstości energii. Wykładzina z ciekłego metalu zapewniła korzyści polegające na odzyskiwaniu energii cieplnej reakcji, pochłanianiu neutronów, przekazywaniu energii kinetycznej i zastępowaniu ściany skierowanej do plazmy podczas każdego cyklu. Dodatkowe zalety płynnej wykładziny obejmują znacznie uproszczoną obsługę reaktora, zmniejszenie radioaktywności, ochronę stałych sekcji reaktora przed uszkodzeniem neutronami i zmniejszenie niebezpieczeństwa ze strony latających odłamków.

Koncepcja została wznowiona w 2000 roku jako podstawa projektu General Fusion , który jest obecnie budowany w Kanadzie .

Projekt koncepcyjny

W koncepcji Linusa komora reaktora składa się z bębna wypełnionego wykładziną z ciekłego metalu, zwykle stopionego ołowiu- litu . Bęben wiruje , wytwarzając siłę odśrodkową, która powoduje, że ciecz jest wypychana na wewnętrzną ściankę pojemnika. Ciekły metal wystarcza tylko do wypełnienia około 20% całkowitej objętości, więc podczas rotacji tworzy się duża otwarta przestrzeń pośrodku. Podczas pracy, system, zwykle składający się z tłoków, jest używany do wprowadzania do bębna dodatkowego ciekłego metalu. To powoduje, że cała wkładka zostaje wepchnięta do środka. W systemach eksperymentalnych zapewniało to kompresję około dziesięciu do jednego. Nadmiar metalu jest następnie ponownie usuwany poprzez zwolnienie tłoków, co powoduje odwrócenie kompresji i osiągnięcie pierwotnego położenia na zewnątrz bębna.

Aby wytworzyć fuzję, plazma paliwa fuzyjnego jest wtryskiwana do wnęki przed skokiem tłoka. Ponieważ metal jest magnetyczny, plazma w środku również jest wpychana do środka. Ta kompresja powoduje wzrost temperatury plazmy w procesie adiabatycznym , podnosząc ją do temperatur i ciśnień związanych z fuzją, około 100 milionów K i10 17  jonów na cm 3 . W tych temperaturach i ciśnieniach szybkość stapiania, zgodnie z potrójnym produktem fuzji , jest bardzo szybka i kończy się przed odwróceniem kompresji mechanicznej. Energia uwalniana w tych reakcjach, w przypadku typowego paliwa deuterowo - trytowego (DT), jest najczęściej w postaci wysokoenergetycznych neutronów około 14,1 MeV. Są one wychwytywane w ciekłym metalu, podnosząc jego temperaturę. Niektóre neutrony będą oddziaływać z litem w wyściółce, przechodząc reakcję jądrową, w wyniku której powstaje nowy tryt. Energia jest następnie pozyskiwana za pomocą generatora pary, jak to ma miejsce w każdej elektrowni napędzanej ciepłem, podczas gdy tryt jest pozyskiwany w różnych procesach chemicznych.

Kluczową zaletą koncepcji Linusa jest to, że cykl kompresji jest odwracalny, w przeciwieństwie do innych koncepcji, w których stosuje się cienkie skorupy z litego metalu, które mogą być użyte tylko raz. Pozwala to na ciągłą pracę systemu, ograniczonego generalnie możliwością usuwania wyników ostatniej reakcji oraz generowania i wtryskiwania nowej plazmy paliwowej, w skali kilku sekund. Dodatkowo systemy wykorzystujące nieobrotowe powłoki podlegają niestabilności Rayleigha-Taylora i okazały się niezwykle trudne do ustabilizowania. Rotacja cieczy w Linusie tłumi te niestabilności. Wreszcie metal chroni resztę reaktora przed strumieniem neutronów, co stanowi poważny problem w innych konstrukcjach.

Historia

Wysiłek Linusa ostatecznie wywodzi swoją historię z dyskusji między Ramy Shanny z NRL i EP Velikhov z Instytutu Kurczatowa .

Podstawowa idea superwysokich pól magnetycznych jako drogi do fuzji była rozważana już w latach pięćdziesiątych przez Andrieja Sacharowa , który zaproponował implodowanie metalowych wkładek w celu wytworzenia wymaganego pola. Koncepcja została podjęta dopiero w latach 60., kiedy Wielikow rozpoczął eksperymenty na małą skalę. Zdano sobie sprawę, że koszt metalowych wkładek będzie prawdopodobnie wyższy niż wartość wyprodukowanej przez nie energii elektrycznej, co stanowiło „problem kopek”, i rozważano pomysł użycia wkładki z ciekłego metalu.

Shanny zapytała, jak taki system mógłby być ustabilizowany przed problemami Rayleigha-Taylora. Wielikow źle zrozumiał pytanie, sądząc, że pyta, jak ustabilizuje się je w bębnie w warunkach grawitacji. Odpowiedział, że go kręcą. Kiedy Shanny rozważył tę odpowiedź, stwierdził, że rzeczywiście ustabilizowała się w stosunku do Rayleigh-Taylor i narodził się program Linus.

Suzy I

Aby zdobyć doświadczenie z tą koncepcją, NRL początkowo budowało implodery liniowe. Pierwszym urządzeniem doświadczalnym była Suzy, skonstruowana w 1971 roku pod kierunkiem DC dePackh. System wykorzystywał solidne metalowe wkładki, takie jak sowieckie eksperymenty i wiele późniejszych urządzeń. Wykładzina została wepchnięta do wewnątrz w procesie zaciskania theta przy użyciuBateria kondensatorów 50 kJ .

Suzy II

AE Robson i PJ Turchi dołączyli do programu w 1972 roku, a dePackh opuścił NRL. Robson i Turchi kontynuowali rozwój koncepcji za pomocą Suzy II, systemu podobnego do tego, co później stało się Suzy I, ale znacznie większego i wyposażonego w mocniejszyZasilanie baterii kondensatorów 540 kJ . Sprasowane wkładki Suzy II od średnicy początkowej20–30 cm do końcowej średnicy okołoOsiągnięto 1 cm , co daje ogólny stopień kompresji 28:1. Ciśnienia większe niżPodczas implozji osiągnięto 20 kpsi .

Wraz z sukcesem podstawowych eksperymentów Suzy II, uwaga zwróciła się na płynny liner. Został on zbudowany na Suzy II przy użyciu plastikowej wkładki wewnątrz stalowego bębna, wypełnionego stopem sodowo-potasowym (NaK) w jego mieszaninie eutektycznej (22% Na, 78% K), która jest cieczą w temperaturze pokojowej. Odpalając bank implozji przy różnych mocach można było przetestować zależność między prędkością implozji a prędkością obrotową i zademonstrować oczekiwany wynik, że tak długo, jak prędkość obrotowa jest wystarczająco duża, przy ściśnięciu wykładziny i zwiększeniu jej prędkości obrotowej ze względu na zachowanie kąta pęd , siła dośrodkowa utrzymywała wektor grawitacji pozornej skierowany na zewnątrz. To stabilizuje się przed niestabilnością RT, ponieważ lżejszy płyn w środku opada na zewnątrz, co jest naturalnie stabilnym stanem.

Suzy II odniósł sukces w wytwarzaniu stabilnego docisku wkładki do wewnątrz, ale niestety sytuacja odwrotna nie była prawdą. Gdy wyściółka zaczęła ponownie się rozszerzać po wyłączeniu prądu sprężania, po raz kolejny ciężki płyn przeszedł w lżejszy i ponownie pojawiły się niestabilności RT. Spowodowało to, że wkładka rozpadła się na kropelki, które ze względu na swoją dużą masę i prędkość losowo uderzały w pojemnik z całą zawartą energią. W maszynie produkcyjnej byłoby to rzędu 100 MJ, co odpowiada około 50 funtów (23 kg) TNT .

Eksperymenty z implozją tłoka

Rozwiązaniem problemu rozpadu wykładziny podczas rozszerzania się jest wypełnienie pustej przestrzeni dodatkowym materiałem wykładziny. Wyklucza to użycie sterowników elektromagnetycznych jak w Suzy, a uwagę zwrócono na użycie mechanicznego materiału napędzającego tłok ze zbiornika do komory głównej. Tłok był napędzany sprężonym gazem.

Następnie pojawiło się kilka eksperymentalnych maszyn. Pierwszy, "model wodny", składał się z bębna z wodą z tłokami ustawionymi promieniście wokół niego. Cały system, łącznie z tłokami, wirował. To zweryfikowało podstawowe podejście, ale było problematyczne, ponieważ synchronizacja tłoków okazała się trudna do kontrolowania wymaganej dokładności. Problem ten został rozwiązany przez nowy układ tłoków z tłokami ułożonymi pierścieniowo, które mogą być odpalane z jednego źródła. Okazało się to rozwiązać problemy i zaczęto budować większe urządzenia.

Linus-0

Wraz z sukcesem modeli tłokowych zaczęto budować większą maszynę, zbliżoną rozmiarami i energią do maszyny Suzy II. Doprowadziło to do powstania projektu Linus-0, który składał się ze stalowego wirnika o średnicy 1200 mm, otoczonego butlą z gazem, która była pod ciśnieniem 5000 funtów na cal kwadratowy (34 000 kPa) przy użyciu serii małych DATB o dużej eksplozji ( C 6 H 5 N 5 O 6), znany również jako materiał wybuchowy PBXN ze spoiwem polimerowym , wybrany ze względu na wysoką temperaturę topnienia, niską zawartość cząstek stałych i odpowiednio niski koszt. Ładunki były ładowane do szeregu portów na jednym końcu urządzenia i wystrzeliwane tuż przed przebiegiem eksperymentalnym w celu zwiększenia ciśnienia w systemie. Wirnik wewnętrzny rozkręcał się do 2100 obr./min za pomocą silnika Chevroleta V8 o pojemności 454 cali sześciennych .

Linus-0 okazał się być powolny w budowie ze względu na jedyny warsztat maszynowy wystarczająco duży, aby wirnik był zajęty innymi zadaniami, a urządzenie zostało ukończone dopiero w 1978 r., na krótko przed zamknięciem programu. Mimo to system był używany z wodą i w krótkim czasie był w stanie oddać powtarzalne strzały. Podczas zbierania danych Linus-0 był wystrzeliwany nawet trzy razy dziennie.

Helius

Opóźnienia w budowie Linusa-0 doprowadziły do ​​powstania wersji połówkowej, Helius. Został zaprojektowany tak, aby w komorze liniowej stosować płynny sód i potas. W praktyce do badań hydrodynamicznych wystarczało użycie wody. W eksperymencie, płynne wykładziny sodowo-potasowe implodowano za pomocą wysokociśnieniowego helu (120 atm ) do napędu tłoków mechanicznych.

Los projektu

Początkowe propozycje projektów Linusa opierały się na cylindrycznym zapadnięciu się liniowca i ciągłej plazmie wewnątrz. Ten układ oznaczał, że nic nie powstrzymywało plazmy przed wytryskiem z końców implodującego cylindra metalu. To niekoniecznie był problem; zarówno wykładzina, jak i plazma poruszałyby się z prędkością dźwięku , ale ponieważ prędkość dźwięku w metalu jest znacznie wyższa niż w plazmie, większość plazmy nie miałaby czasu, aby się poruszyć, zanim zakończyłaby reakcję. Pojawiły się pewne obawy dotyczące złej krzywizny na końcach cylindra, co może prowadzić do niestabilności wymiany, która działa znacznie szybciej niż prędkość dźwięku, ale wielkość, a nawet jeśli w ogóle była obecna, nie została zbadana.

Wadą tego podejścia było to, że część plazmy uciekła, a ilość ta wzrastała wraz ze spadkiem prędkości implozji. Aby uzyskać rozsądną szybkość reakcji, potrzebne były energie kierowcy rzędu 75 do 100 MJ. Chociaż nie było to niemożliwe do osiągnięcia, nadal stanowiło znaczny koszt kapitałowy zbudowania takiego systemu magazynowania, a wynikająca z tego implozja o wysokiej energii i dużej prędkości stanowiła wyzwanie inżynieryjne.

Linus był rozwijany, gdy po raz pierwszy pojawiała się inna koncepcja syntezy jądrowej, konfiguracja odwróconego pola , czyli FRC. Jest to zasadniczo pierścień dymu plazmy, który jest naturalnie stabilny przez pewien czas. Zastosowanie FRC wewnątrz maszyny zapewniłoby naturalne zamknięcie końców cylindra, zapobiegając ucieczce plazmy. To znacznie zmniejszyłoby wymaganą energię implozji, a tym samym obniżyłoby rozmiar i koszt całej maszyny.

W tamtych czasach FRC były bardzo nową technologią. Ale ponieważ wydawały się reprezentować znaczący postęp w stanie techniki, potencjalnie tworząc udany system syntezy jądrowej nawet bez implozji, zainteresowanie NRL szybko zmieniło się na podstawową fizykę FRC. Eksperymenty na Linusie-0 i Heliusie były stosunkowo krótkie, częściowo z powodu opóźnień w fazie projektowania, produkcji i montażu. Nie przeznaczono czasu na odzyskanie sił po opóźnieniach lub nieoczekiwanych wyzwaniach, a maszyny zostały ostatecznie zdemontowane i umieszczone w magazynie.

Projekt Linus napotkał kilka problemów inżynieryjnych, które ograniczały jego wydajność, a tym samym jego atrakcyjność jako podejścia do komercyjnej energii termojądrowej. Zagadnienia te obejmowały wydajność metody przygotowania i wtrysku plazmy, możliwość uzyskania odwracalnych cykli kompresji-rozprężania, problemy z dyfuzją strumienia magnetycznego do materiału wykładziny oraz możliwość usunięcia odparowanego materiału wykładziny z wnęki między cyklami (w czasie około1 s ), co nie zostało zrealizowane. Niedociągnięcia wystąpiły również w konstrukcji mechanizmu wewnętrznego, który pompował wkładkę z ciekłego metalu.

Inny napotkany poważny problem dotyczył niestabilności hydrodynamicznej w płynnej wykładzinie. Jeśli ciecz była nieprecyzyjnie skompresowana, granice plazmy mogą podlegać niestabilności Rayleigha-Taylora (RT). Ten stan może wygasić reakcję syntezy jądrowej poprzez zmniejszenie wydajności sprężania i wstrzyknięcie do plazmy zanieczyszczeń materiału wykładziny (odparowanego ołowiu i litu). Oba efekty zmniejszają wydajność reakcji fuzji. Silna niestabilność może nawet spowodować uszkodzenie reaktora. Synchronizacja czasu systemu kompresji nie była możliwa z ówczesną technologią, a proponowany projekt został anulowany.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia