Современное состояние и перспективы ИТС
DESCRIPTION
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. Условия осуществления реакции. Кулоновский барьер. При TTRANSCRIPT
![Page 1: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/1.jpg)
Современное состояние и перспективы ИТС
Орлов Ю.Н.Д.ф.-м.н., член Совета РАН по анализу энергетических систем
ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, МФТИ
![Page 2: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Физика термоядерного синтеза
![Page 3: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Деление быстрыми нейтронами
1 мг DT = 340 МДж 1 мг U = 80 МДж 1 реакция синтеза = 17 МэВ 1 реакция деления = 200 МэВ
![Page 7: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Потребности энергетики
![Page 8: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Условия энергетически выгодного ядерного 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
![Page 10: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Энергетическая концепция ИТС
![Page 11: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/11.jpg)
11
![Page 12: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Типы термоядерных реакторов
![Page 13: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Токамак
Стелларатор
Пробкотрон Котел взрывного сгорания
Z-пинч
Обжатие лазером
![Page 14: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/15.jpg)
15
![Page 16: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Камера реактора в проекте LIBRA-SP
![Page 17: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/17.jpg)
17
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.
![Page 18: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/18.jpg)
18
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.
![Page 19: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Камера для Z-пинча горизонтальное и вертикальное сечения
![Page 20: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Мюонный катализ
![Page 21: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/21.jpg)
21
Физические условия μ-катализаЯ.Б. Зельдович, С.С. Герштейн, 1960 г.
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.
Энергетическая эффективность реакции 0,2-0,4.
![Page 22: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Тяжелоионный синтез
![Page 23: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/23.jpg)
23
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
![Page 24: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/24.jpg)
24
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
![Page 25: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/25.jpg)
25
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
![Page 26: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/26.jpg)
26
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%
![Page 27: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Этапы работы мишени
![Page 28: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/28.jpg)
28
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
![Page 29: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/29.jpg)
29
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
![Page 30: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/30.jpg)
30
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
![Page 31: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/31.jpg)
31
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
![Page 32: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/32.jpg)
32
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
![Page 33: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/33.jpg)
33
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)
![Page 34: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/34.jpg)
34
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
![Page 35: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Распределение температуры в бланкете
![Page 36: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Волны давления в бланкете
![Page 37: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Концепция
«синтез-деление-синтез»
![Page 38: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/38.jpg)
38
ГИБРИДНАЯ МИШЕНЬ
![Page 39: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Энерговыделение в уране (МДж) в зависимости от степени сжатия по радиусу
Отношение энергии деления к энергии синтеза в зависимости от степени сжатия по радиусу
![Page 40: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/40.jpg)
40
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
![Page 41: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/41.jpg)
41
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
ma
l ura
niu
m u
tiliz
atio
n
Pusher aspect ratio
![Page 42: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/42.jpg)
42
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
![Page 43: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/43.jpg)
43
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.
![Page 44: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Невозможный термояд
![Page 45: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/45.jpg)
45
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
![Page 46: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/46.jpg)
46
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.
![Page 47: Современное состояние и перспективы ИТС](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081802/56814cee550346895db9ec4f/html5/thumbnails/47.jpg)
47
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.