| Адроны | |
| Альфа-распад | |
| Альфа-частица | |
| Аннигиляция | |
| Антивещество | |
| Антинейтрон | |
| Антипротон | |
| Античастицы | |
| Атом | |
| Атомная единица массы | |
| Атомная электростанция | |
| Барионное число | |
| Барионы | |
| Бета-распад | |
| Бетатрон | |
| Бета-частицы | |
| Бозе – Эйнштейна статистика | |
| Бозоны | |
| Большой адронный коллайдер | |
| Большой Взрыв | |
Боттом. Боттомоний | |
| Брейта-Вигнера формула | |
| Быстрота | |
| Векторная доминантность | |
| Великое объединение | |
| Взаимодействие частиц | |
| Вильсона камера | |
| Виртуальные частицы | |
| Водорода атом | |
| Возбуждённые состояния ядер | |
| Волновая функция | |
| Волновое уравнение | |
| Волны де Бройля | |
| Встречные пучки | |
| Гамильтониан | |
| Гамма-излучение | |
| Гамма-квант | |
| Гамма-спектрометр | |
| Гамма-спектроскопия | |
| Гаусса распределение | |
| Гейгера счётчик | |
| Гигантский дипольный резонанс | |
| Гиперядра | |
| Глюоны | |
| Годоскоп | |
| Гравитационное взаимодействие | |
| Дейтрон | |
| Деление атомных ядер | |
| Детекторы частиц | |
| Дирака уравнение | |
| Дифракция частиц | |
| Доза излучения | |
| Дозиметр | |
| Доплера эффект | |
| Единая теория поля | |
| Зарядовое сопряжение | |
| Зеркальные ядра | |
| Избыток массы (дефект массы) | |
| Изобары | |
| Изомерия ядерная | |
| Изоспин | |
| Изоспиновый мультиплет | |
| Изотопов разделение | |
| Изотопы | |
| Ионизирующее излучение | |
| Искровая камера | |
| Квантовая механика | |
| Квантовая теория поля | |
| Квантовые операторы | |
| Квантовые числа | |
| Квантовый переход | |
| Квант света | |
| Кварк-глюонная плазма | |
| Кварки | |
| Коллайдер | |
| Комбинированная инверсия | |
| Комптона эффект | |
| Комптоновская длина волны | |
| Конверсия внутренняя | |
| Константы связи | |
| Конфайнмент | |
| Корпускулярно волновой дуализм | |
| Космические лучи | |
| Критическая масса | |
| Лептоны | |
| Линейные ускорители | |
| Лоренца преобразования | |
| Лоренца сила | |
| Магические ядра | |
| Магнитный дипольный момент ядра | |
| Магнитный спектрометр | |
| Максвелла уравнения | |
| Масса частицы | |
| Масс-спектрометр | |
| Массовое число | |
| Масштабная инвариантность | |
| Мезоны | |
| Мессбауэра эффект | |
| Меченые атомы | |
| Микротрон | |
| Нейтрино | |
| Нейтрон | |
| Нейтронная звезда | |
| Нейтронная физика | |
| Неопределённостей соотношения | |
| Нормы радиационной безопасности | |
| Нуклеосинтез | |
| Нуклид | |
| Нуклон | |
| Обращение времени | |
| Орбитальный момент | |
| Осциллятор | |
| Отбора правила | |
| Пар образование | |
| Период полураспада | |
| Планка постоянная | |
| Планка формула | |
| Позитрон | |
| Поляризация | |
| Поляризация вакуума | |
| Потенциальная яма | |
| Потенциальный барьер | |
| Принцип Паули | |
| Принцип суперпозиции | |
| Промежуточные W-, Z-бозоны | |
| Пропагатор | |
| Пропорциональный счётчик | |
| Пространственная инверсия | |
| Пространственная четность | |
| Протон | |
| Пуассона распределение | |
| Пузырьковая камера | |
| Радиационный фон | |
| Радиоактивность | |
| Радиоактивные семейства | |
| Радиометрия | |
| Расходимости | |
| Резерфорда опыт | |
| Резонансы (резонансные частицы) | |
| Реликтовое микроволновое излучение | |
| Светимость ускорителя | |
| Сечение эффективное | |
| Сильное взаимодействие | |
| Синтеза реакции | |
| Синхротрон | |
| Синхрофазотрон | |
| Синхроциклотрон | |
| Система единиц измерений | |
| Слабое взаимодействие | |
| Солнечные нейтрино | |
| Сохранения законы | |
| Спаривания эффект | |
| Спин | |
| Спин-орбитальное взаимодействие | |
| Спиральность | |
| Стандартная модель | |
| Статистика | |
| Странные частицы | |
| Струи адронные | |
| Субатомные частицы | |
| Суперсимметрия | |
| Сферическая система координат | |
| Тёмная материя | |
| Термоядерные реакции | |
| Термоядерный реактор | |
| Тормозное излучение | |
| Трансурановые элементы | |
| Трек | |
| Туннельный эффект | |
| Ускорители заряженных частиц | |
| Фазотрон | |
| Фейнмана диаграммы | |
| Фермионы | |
| Формфактор | |
| Фотон | |
| Фотоэффект | |
| Фундаментальная длина | |
| Хиггса бозон | |
| Цвет | |
| Цепные ядерные реакции | |
| Цикл CNO | |
| Циклические ускорители | |
| Циклотрон | |
Чарм. Чармоний | |
| Черенковский счётчик | |
| Черенковсое излучение | |
| Черные дыры | |
| Шредингера уравнение | |
| Электрический квадрупольный момент ядра | |
| Электромагнитное взаимодействие | |
| Электрон | |
| Электрослабое взаимодействие | |
| Элементарные частицы | |
| Ядерная физика | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерные модели | |
| Ядерные реакции | |
| Ядерный взрыв | |
| Ядерный реактор | |
| Ядра энергия связи | |
| Ядро атомное | |
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) |
msimagelist>
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
Thermonuclear reactor
Термоядерный реактор
– установка, где энергия получается за счёт самоподдерживающегося управляемого
термоядерного синтеза.
В земных условиях наиболее подходящими для такой
установки являются следующие реакции синтеза, осуществляемые изотопами водорода,
дейтерием – 2Н и тритием – 3Н, (в скобках приведена
освобождающаяся энергия):
2Н + 2Н → 3Н + 1Н
(4.03 МэВ),
2Н + 2Н → 3Не + n (3.27 МэВ),
2Н + 3Н → 4Не + n (17.59 МэВ).
Видно, что выход энергии на единицу массы ядерного
вещества в реакциях синтеза может быть в несколько раз больше, чем в реакциях
деления. Более того, дейтерий, с которого начинается цепочка реакций синтеза,
является практически неисчерпаемым источником дешёвого термоядерного горючего
(1 г дейтерия содержится в 60 литрах воды).
Однако реализовать управляемый термоядерный синтез в земных условиях
очень сложно и до сих пор это не удалось. Для этого надо создать установку,
в которой нагретое до огромных температур (≈108 К),
и поэтому представляющее собой высокотемпературную плазму, ядерное топливо
необходимо достаточно долго удерживать в состоянии с высокой плотностью
(как это имеет место внутри Солнца и других звёзд, которые представляют
собой естественные термоядерные реакторы).
Любой материал испарится при
столь высоких температурах и, поэтому, не может быть использован, чтобы
удержать высокотемпературную плазму в замкнутом объёме (в звёздах высокотемпературная
плазма удерживается мощными гравитационным силами).
Есть два способа удержания горячей плазмы, которые считаются
наиболее перспективными. Это магнитное удержание и, так называемое, инерционное
удержание. Магнитное удержание использует магнитное поле для того, чтобы
не дать горячей плазме выйти из замкнутого контролируемого объёма. В существующих
системах магнитного удержания (токамаках) область, внутри которой удерживается
горячая плазма, имеет форму тороида (правильного бублика).
В инерционном удержании маленький (≈1 мм) дейтерий-тритиевый
шарик подвергают одновременному “удару” с нескольких направлений очень интенсивными
лазерными или электронными (ионными) пучками. Огромное количество энергии,
которое при таком ударе передаётся шарику, мгновенно сжимает, нагревает
и ионизует его, превращая в кусочек плотной нагретой до 108 К
плазмы.
Нагрев должен быть сверхбыстрым (10-9 сек), чтобы испаряющееся
вещество шарика не успело выйти из контролируемого объёма до “зажигания”
термоядерной реакции. Таким образом, в этом методе используется инерционность
вещества.
Создание эффективного термоядерного реактора оказалось намного
более сложной проблемой, чем создание реактора, использующего деление ядер.
Однако, возможно, она будет решена в первой половине 21-го века.
См. также
- Термоядерные процессы
- Лазерный термоядерный синтез
- Лазерный термоядерный синтез в
кластерах
3DNews Технологии и рынок IT. Новости окружающая среда Новый китайский реактор приблизился к ус… Самое интересное в обзорах 22. Геннадий Детинич Китайские научные круги сообщают, что запущенный в конце 2021 года в Сычуани термоядерный реактор HL-2M Tokamak приблизился к запуску самоподдерживающейся термоядерной реакции. Установка сделала два важных шага в этом направлении: добилась рекордных показателей как температуры плазмы, так и её тока. Источник изображения: Weibo Ранее реактор HL-2M Tokamak, построенный в городе Чэнду провинции Сычуань, смог разогреть плазму до 150 млн °C, что в 10 раз больше, чем в ядре Солнца. Реакция поддерживалась 10 с. Судя по всему, речь идёт о температуре нагрева электронов в плазменном жгуте. Для запуска устойчивой термоядерной реакции требуется нагреть до температуры 100 млн °C ионы газа в плазме, которые в два раза тяжелее электронов. Это означает, что разница температур между электронами и ионами будет примерно двукратная. Иначе говоря, реактор нагрел ионы до 75 млн °C и должен повысить это значение ещё на 25 млн °C. Что касается тока в плазме, то его значение для реактора HL-2M Tokamak должно существенно превышать 1 млн А или 1 МА (мегаампер). Последние эксперименты на реакторе показывают, что установка способна создавать в плазме ток силой не менее 1 МА. Для разных реакторов это значение будет отличаться. Например, для запуска термоядерной реакции в установке ИТЭР требуется создание токов в плазме силой от 15 до 17 МА. Работы с несколькими экспериментальными термоядерными установками в Китае должны помочь Поднебесной построить промышленный прототип термоядерного реактора к 2035 году и ввести технологию в широкомасштабное коммерческое использование к 2050 году. Термоядерные реакции, в ходе которых лёгкие ядра сливаются с образованием более тяжёлых ядер (практически это превращение ядер водорода в ядра гелия с выделением огромных объёмов энергии), обещают людям бесконечную и чистую энергию, но создать условия для термоядерных реакций на Земле очень и очень сложно. Самый амбициозный проект в этой сфере — это создание международного реактора ИТЭР на юге Франции. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1076182/noviy-kitayskiy-reaktor-priblizilsya-k-ustoychivoy-termoyadernoy-reaktsii Рубрики: Теги: ← В |
10.2022 [11:52], 
Проект должен был быть завершён в 2018 году, но технические сложности при его реализации столь велики, что сроки неоднократно переносились и сегодня снова под вопросом.Fusion Power произвел бы революцию в энергетике, если бы мы могли заставить его работать
Эта история является частью серии «Выбор Земли», в которой рассказывается о влиянии изменения климата и исследуется, что делается для решения этой проблемы.
К этому времени в следующем десятилетии вы могли бы читать эту историю на телефоне, заряженном термоядерной энергией, тем же источником энергии, который зажигает солнце.
Нет никакой гарантии, что будущее наступит вовремя или вообще наступит. Реакции термоядерного синтеза оказались общеизвестно трудными для людей, несмотря на то, что некоторые компании пытались с 19-го века90-е. Но недавний всплеск технологических усовершенствований и инвестиций привел к устойчивому прогрессу, и оптимизм заключается в том, что экологически чистые технологии находятся в пределах досягаемости.
В случае успеха это может обеспечить человечество изобилием чистой энергии, о которой мечтают участники конференции ООН по изменению климата COP27. Хотя термоядерный синтез вряд ли достигнет больших масштабов достаточно скоро, чтобы решить мировые климатические проблемы, он все же может оказаться необходимым для удовлетворения аппетита человечества к энергии в ближайшие десятилетия.
«Это похоже на то, что мы начинаем приближаться к цели», — сказал Эндрю Саудер, старший технический руководитель Исследовательского института электроэнергетики, некоммерческой организации, занимающейся исследованиями и разработками в области энергетики.
«То, что мы видели, — это переход от строго национальной лаборатории, спонсируемой государством, к частному сектору, работающему в сжатые сроки и с реальными инновациями».
Энергия синтеза возникает, когда более легкие атомы, чаще всего водорода, объединяются в более тяжелые, такие как гелий. Трудно собрать силы, чтобы соединить атомы вместе, но реакция высвобождает огромное количество энергии: термоядерное топливо для пикапа имеет ту же энергию, что и 10 миллионов баррелей нефти.
Апелляция понятна. В отличие от сжигания угля, нефти или природного газа, термоядерный синтез не приводит к выбросу углекислого газа — парникового газа, который является основным фактором изменения климата. Термоядерный синтез также свободен от долгоживущих радиоактивных отходов или рисков катастрофического расплавления, которые представляют собой проблемы для сегодняшних атомных электростанций.
Зои Ляо/CNET
Добавление новых источников электроэнергии имеет решающее значение, поскольку спрос на энергию в ближайшие десятилетия будет расти благодаря таким изменениям, как переход на электромобили и резкое расширение использования кондиционеров.
Международное энергетическое агентство ООН прогнозирует, что к 2050 году потребление электроэнергии вырастет на 75-150% по сравнению с сегодняшним уровнем, причем более высокий уровень необходим для достижения более агрессивного сокращения выбросов углекислого газа. К 2030 году, заявило агентство, планете потребуется столько же новой энергии, сколько сейчас используется в США и Европе.
Наши потребности в энергии и глобальные проблемы с климатом вызвали новую деловую активность. По данным Fusion Industry Association, с 2017 года предприниматели запустили 21 новый стартап в области термоядерной энергетики, при этом почти 60% от общей суммы в 4,8 миллиарда долларов, привлеченных стартапами в области термоядерной энергии, пришлось на последний год.
Администрация Байдена, сторонник термоядерного синтеза, заявила в ноябре, что термоядерная энергия является одним из пяти ключевых подходов к сокращению вдвое выбросов углерода к 2030 году и достижению нулевых выбросов к 2050 году.
Министерство энергетики выделило 50 миллионов долларов на помощь частным проектам термоядерного синтеза.
Преимущества термоядерной энергии очевидны. Трудная часть будет на самом деле заставить его работать.
Что такое синтез?
Идея термоядерного синтеза существует уже несколько десятилетий: столетие назад ученые начали понимать, как оно питает солнце, впервые синтезировали атомы в 1933 году в лаборатории, а в 1950-х выяснили, как термоядерный синтез может привести в действие термоядерное оружие.
Синтез — это процесс объединения атомов более легких элементов с образованием другого, более тяжелого элемента. Для соединения более легких элементов требуется много энергии. Но акт объединения возвращает вам энергию, намного большую, чем та, что вложена. Использование этой энергии — основа термоядерного реактора.
Материя на Земле обычно находится в твердом, жидком или газообразном состоянии, но температуры, необходимые для синтеза, достаточно высоки, чтобы материя трансформировалась в четвертое состояние, называемое плазмой.
Атомы в плазме настолько энергичны, что ядро каждого из них теряет свои электроны. Поскольку частицы в плазме электрически заряжены, ими можно манипулировать с помощью электрических и магнитных полей.
Термоядерный синтез — это противоположность делению, реакции, которая сегодня питает ядерные энергетические реакторы. Там ядро тяжелого элемента, такого как уран, расщепляется на более легкие элементы и высвобождает энергию. Еще одно отличие: когда у термоядерных реакторов возникают проблемы, они просто бездействуют, не сравнимый риск с авариями, от которых пострадали атомные электростанции в Чернобыле и Фукусиме.
Большинство термоядерных стартапов работают над объединением двух форм водорода, называемых дейтерием и тритием, смесью, для краткости известной как DT-топливо. Водород — самый легкий элемент, и у большинства атомов водорода в ядре всего один протон. У дейтерия тоже есть нейтрон, а у трития два нейтрона.
Когда дейтерий и тритий объединяются, они образуют ядро гелия и одинокий нейтрон.
Нейтрон уносится прочь, движимый дополнительной энергией термоядерной реакции. Выход энергии в десятки миллионов раз больше, чем при сгорании молекул ископаемого топлива.
В большинстве термоядерных реакторов «одеяло» из расплавленного металла или соли, окружающее термоядерную камеру, улавливает кинетическую энергию быстро движущихся нейтронов, нагреваясь в процессе. Это тепло может затем вскипятить воду, чтобы привести в действие обычную паровую турбину для выработки электроэнергии.
Трудно начать реакцию синтеза, потому что положительно заряженные ядра отталкиваются. На Солнце достаточно гравитационного давления, чтобы в любом случае сжать ядра вместе. Он плавит водород с поразительной скоростью 620 миллионов метрических тонн в секунду, выделяя достаточно тепла, чтобы чувствовать себя поджаренным, когда вы купаетесь в солнечных лучах.3 миллиона миль.
В привязанных к земле термоядерных реакторах необходимы другие средства для сжатия плазмы, пока она не достигнет температуры 100 миллионов градусов Цельсия (180 миллионов градусов по Фаренгейту).
Вот где сегодняшние инженеры усердно работают. Различные комбинации магнитных полей, электрических токов и лазеров удерживают водород в форме высокотемпературной плазмы в устройствах с экзотическими названиями, таких как токамаки, стеллараторы и z-пинч-машины.
Некоторые разработки, которые в настоящее время внедряются в термоядерный бизнес, включают сверхпроводящие материалы, которые проводят огромные электрические токи при относительно высоких температурах, технологию искусственного интеллекта для наблюдения за реакциями и 3D-печать для изготовления компонентов реактора необычной формы.
Токамаки: термоядерный синтез в высокотехнологичном полом пончике
Ведущей разработкой является токамак, который использует мощные магнитные поля для запуска термоядерного синтеза внутри камеры в форме пончика — тора, если использовать технический термин. Название токамак происходит от советских ученых, которые изобрели конструкцию в 1950-х и 1960-х годах.
Возможно, ведущим стартапом, занимающимся термоядерным синтезом токамаков, является Commonwealth Fusion Systems, дочерняя компания Массачусетского технологического института. В 2021 году компания впервые продемонстрировала новую электромагнитную технологию, которая создала самое сильное магнитное поле в мире в сентябре, а затем привлекла сногсшибательные 1,8 миллиарда долларов в ноябре.
«Причина, по которой мы думаем, что токамаки велики, заключается в том, что эта концепция получила множество научных подтверждений», — сказал Брэндон Сорбом, соучредитель и главный научный сотрудник Commonwealth. «Мы хотели иметь как можно меньше научных рисков».
Компания тратит свои деньги на огромный новый токамак под названием Sparc и начала строительство объекта для его размещения на новом участке в Девенсе, штат Массачусетс, примерно в 25 милях к западу от Бостона. Цель состоит в том, чтобы запустить Sparc в 2025 году, а затем как можно скорее вывести его за пределы критического порога, когда реактор производит больше энергии, чем потребляет.
Компания Commonwealth Fusion Systems начала строительство термоядерного реактора Sparc на площадке в Девенсе, штат Массачусетс.
Системы синтеза Содружества
Этот порог чистой энергии, называемый безубыточностью, является лишь первым шагом. Согласно планам, которые Содружество подробно изложило в серии рецензируемых научных статей о Sparc, реактор может производить выходную энергию, в 10 раз превышающую потребляемую. Это означает, что коэффициент усиления термоядерного синтеза, обозначаемый в научных кругах буквой Q, равен 10. Содружество надеется преодолеть этот порог в течение двух или около того лет после первой операции Sparc.
В мире термоядерных реакторов вы услышите много разговоров о максимально возможном увеличении добротности. Текущий рекорд энергии синтеза, установленный в 2021 году на Объединенном европейском торусе в Великобритании, произвел около 11 мегаватт мощности, но только при добротности 0,33.
После Спарка Содружество планирует построить еще один испытательный реактор под названием Арк, предназначенный для фактической выработки электроэнергии и подключения к электрической сети.
Он запланирован на начало 2030-х годов и должен генерировать около 400 мегаватт электроэнергии, что достаточно для питания десятков тысяч домов. Для сравнения, типичная атомная электростанция производит примерно в 2,5 раза больше, гигаватт.
Далее идут настоящие машины, каждая из которых генерирует примерно такую же мощность, что и Арк, и воплощает в себе очень большие надежды Содружества.
«Чтобы остановить изменение климата, к 2050 году планируется построить порядка 10 000 таких объектов», — сказал Сорбом.
Конструкция токамака со сверхпроводящими магнитами
Ключевым прорывом для Содружества стали высокотемпературные сверхпроводники, материалы, которые могут проводить огромные электрические токи при достаточном охлаждении. Высокотемпературные сверхпроводники — класс материалов, разработанный в XIX в.80-х годов и позже, не нужно так сильно охлаждать, как обычные сверхпроводники, открытые десятилетиями ранее.
Сверхпроводники создают очень сильные магнитные поля, предназначенные для удержания плазменного топлива и запуска термоядерного синтеза.
И что особенно важно, это делает это возможным благодаря гораздо меньшему термоядерному реактору, чем, например, многонациональный термоядерный реактор ИТЭР, который строится во Франции уже много лет, и впереди еще много работы.
Одной из проблем при синтезе D-T является получение материалов. Дейтерий встречается в природе и может быть отфильтрован из обычной воды, но поскольку тритий радиоактивен, он распадается в течение нескольких лет. Commonwealth и многие другие компании, занимающиеся термоядерными реакторами, решают эту проблему, добавляя немного лития, еще одного легкого элемента, в поглощающий энергию бланкет, окружающий реактор. Входящие нейтроны врезаются в литий и превращают часть его в тритий, процесс, называемый воспроизводством.
Одна из проблем токамака заключается в том, что инженерам необходимо нагреть одеяло, а также сохранить холодными массивные D-образные сверхпроводящие магниты. Sparc будет иметь мощную систему охлаждения и будет работать с более короткими импульсами для управления нагревом магнита.
Другая трудность токамака заключается в том, что эти высокоэнергетические нейтроны вызывают проблемы, разбивая одни атомы на части и слипаясь с другими. Это создает структурные проблемы и некоторые радиоактивные материалы, особенно на «первой стене» материала, ближайшей к плазме.
Чтобы справиться с этим, в токамаках предусмотрены сменные детали. Но восстановление внутренней части токамака означает значительное время простоя.
Z-пинчи и другие альтернативы синтезу
Несколько других подходов, помимо токамаков, находятся в разработке, включая «стеллараторы» Type One Energy, которые выглядят как искривленные токамаки, синтез снарядов First Light Fusion и лазерную систему EX-Fusion.
Это разнообразие является одной из причин того, что Соудер из EPRI, самопровозглашенный «скептически настроенный оптимист», относительно оптимистичен в отношении слияния. По его словам, исследователи Fusion наносят «несколько ударов по воротам». «Все, что нужно, это один или два из них, чтобы добиться успеха».
Компания Zap Energy, базирующаяся к северу от Сиэтла и в этом году расширившаяся до 100 сотрудников, надеется добиться успеха благодаря подходу, называемому Z-пинчем, в котором используется трубчатая термоядерная камера, достаточно маленькая, чтобы поместиться в кузов пикапа. Метод термоядерного синтеза Запа использует импульс электрического тока, который создает плазму и сжимает ее из диффузного столба в тонкую линию, которая является стабильной и достаточно плотной для плавления. Никаких сверхпроводящих магнитов не требуется.
Новейший реактор Zap, Fuze-Q, разработан для достижения важного порога Q, равного 1, при котором реактор производит чистую энергию. Это может произойти уже в 2023 году, если исследования пойдут хорошо, сказал исполнительный директор Бендж Конвей, хотя и предупредил, что «синтетический синтез — это кладбище, усеянное чрезмерными обещаниями». После этого Zap планирует удвоить электрический ток и увеличить выход энергии в десять раз.
«Не исключено, что в конце этого десятилетия у нас будет первая экологически чистая электростанция, — сказал Конвей.
Компания General Fusion, базирующаяся в Ванкувере, Канада, использует паровые поршни для сжатия плазмы, удерживаемой магнитным полем внутри вращающегося цилиндра из расплавленного металла. В следующем году планируется начать строительство демонстрационного реактора и запустить его в 2026 году.
General Fusion использует поршни для сжатия плазмы, пока не начнется термоядерная реакция.
Общий фьюжн
«Мы рассматриваем нашу первую коммерческую электростанцию в начале 2030-х годов», — сказал Майк Дональдсон, вице-президент General Fusion по проектированию.
Компания TAE Technologies, основанная в 1998 году и, таким образом, являющаяся одним из прародителей коммерциализации термоядерного синтеза, на сегодняшний день привлекла более 1 миллиарда долларов инвестиций, совсем недавно от Chevron (которая также инвестировала в Zap) и Google (которая также инвестировала в Commonwealth).
Его конструкция с обратной конфигурацией поля вращает плазму по петле, подобно токамаку, но избавляется от большей части тороидальных механизмов. Чтобы плазменная петля продолжала вращаться, TAE направляет на нее лучи атомов водорода. По словам генерального директора Михла Биндербауэра, машина TAE «Коперник» шестого поколения предназначена для производства чистой энергии в течение следующих двух с половиной лет или около того.
Далее идет «Да Винчи», прототип, который должен появиться в начале 2030-х и предназначен для подачи электроэнергии в электрическую сеть. Эта машина также должна достичь колоссального 1 миллиарда градусов, температуры, которая позволит компании перейти от топлива DT к комбинации водорода и относительно тяжелого бора, называемой p-B11. По словам Биндербауэра, это сложнее, но не производит нейтронов и не приводит к радиоактивным осложнениям.
Fusion должен конкурировать с ветровой и солнечной энергией
Стартапы Fusion конкурируют не только друг с другом, но и с проверенными вариантами экологически чистой энергии солнечной и ветровой энергии.
Одной из наиболее весомых причин успеха ветровой и солнечной энергии является промышленный феномен, называемый законом Райта, также известный как кривая обучения или кривая опыта. Это наблюдение эпохи Второй мировой войны, что производственные усовершенствования снижают затраты по мере удвоения производственных мощностей. Это причина, по которой затраты на солнечную энергию упали на 90% с 2009 по 2021 год, а затраты на ветроэнергетику упали на 72% за тот же период, согласно ежегодному отслеживанию консалтинговой фирмы Lazard.
Закон Райта применяется главным образом к изделиям, производимым в больших объемах, поэтому пока неясно, насколько выгодны сложные термоядерные установки.
Тем не менее, поклонники Fusion знают об этой проблеме. TAE явно выбрала конструкцию, которая в основном могла быть собрана на центральном заводе и отправлена в 40-футовом контейнере. «Мы считаем, что действительно можем снизить цену», — сказал Биндербауэр.
Термоядерный реактор Norman компании TAE Technologies назван в честь соучредителя компании Нормана Ростокера.
ТАЕ Технологии
В любом случае термоядерный синтез может дополнить возобновляемые ресурсы. Солнечная и ветровая энергия непостоянны, и сегодня аккумуляторные батареи для накопления энергии в моменты пикового спроса также являются дорогостоящими в больших масштабах. Напротив, термоядерный синтез мог бы быть хорошим источником энергии для «базовой нагрузки», снабжая энергией круглосуточно, как сегодня это делают угольные и атомные электростанции.
Термоядерный синтез с опозданием прибыл на климатическую вечеринку
Хотя термоядерная энергия была мечтой на протяжении десятилетий, сегодняшние климатические проблемы придали ей новое значение. Однако не стоит рассчитывать на дешевую, обильную, чистую термоядерную энергию как на наше спасение.
Даже если первые коммерческие термоядерные установки появятся в 2030-х годах, скорее всего, пройдут годы, прежде чем они будут обеспечивать значительный процент энергии.
Чем позже они прибудут, тем меньшую роль они смогут сыграть в сокращении чистых выбросов углерода на планете до нуля к 2050 году9.0003
Даже некоторые поклонники фьюжн так считают.
«В лучшем случае, скажем, в США, вы могли бы получить примерно 10% энергетического баланса в течение 20 лет. Вам действительно нужно забыть о целях на 2050 год», — сказал Конвей из Zap. «Идея о том, что термоядерный синтез решит проблему изменения климата, какой мы ее знаем… просто не соответствует действительности».
Тем не менее, синтез может оказаться важным для цивилизации. Новые источники энергии могут облегчить отказ от энергоемких промышленных процессов, таких как выплавка алюминия, производство удобрений и опреснение воды, от электростанций, работающих на ископаемом топливе. Он может даже потенциально питать установки прямого улавливания воздуха, которые удаляют углекислый газ из атмосферы.
«Если люди собираются стать развитой цивилизацией, — сказал Конвей, — термоядерный синтез — это один из тех проходов, через которые мы должны пройти».
Машинное обучение облегчает «отслеживание турбулентности» в термоядерных реакторах | MIT News
Fusion, который обещает практически неограниченную безуглеродную энергию с использованием тех же процессов, что и солнце, находится в центре всемирных исследований, которые могут помочь смягчить изменение климата.
Многопрофильная группа исследователей в настоящее время использует инструменты и идеи машинного обучения, чтобы помочь этим усилиям. Ученые из Массачусетского технологического института и других стран использовали модели компьютерного зрения для выявления и отслеживания турбулентных структур, которые появляются в условиях, необходимых для облегчения термоядерных реакций.
Наблюдение за формированием и движением этих структур, называемых нитями или «каплями», важно для понимания потоков тепла и частиц, выходящих из реагирующего топлива, что в конечном итоге определяет технические требования к стенкам реактора для удовлетворения этих потоков. Однако ученые обычно изучают капли, используя методы усреднения, которые меняют детали отдельных структур в пользу совокупной статистики.
Информацию об отдельных блобах необходимо отслеживать, помечая их вручную в видеоданных.
Исследователи создали синтетический набор видеоданных турбулентности плазмы, чтобы сделать этот процесс более эффективным и действенным. Они использовали его для обучения четырех моделей компьютерного зрения, каждая из которых идентифицирует и отслеживает большие двоичные объекты. Они обучили модели определять точки точно так же, как это делают люди.
Когда исследователи протестировали обученные модели с использованием реальных видеоклипов, модели смогли идентифицировать капли с высокой точностью — в некоторых случаях более 80 процентов. Модели также смогли эффективно оценить размер капель и скорость, с которой они двигались.
Поскольку миллионы видеокадров снимаются только во время одного эксперимента по термоядерному синтезу, использование моделей машинного обучения для отслеживания капель может дать ученым гораздо более подробную информацию.
«Раньше мы могли получить макроскопическую картину того, что в среднем делают эти структуры.
Теперь у нас есть микроскоп и вычислительная мощность для анализа одного события за раз. Если мы сделаем шаг назад, то обнаружим мощь этих методов машинного обучения и способы использования этих вычислительных ресурсов для достижения прогресса», — говорит Теодор Гольфинопулос, научный сотрудник Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института и соавторы. — автор статьи, подробно описывающей эти подходы.
Его соавторами являются ведущий автор Вунхи «Гарри» Хан, кандидат физико-математических наук; старший автор Иддо Дрори, приглашенный профессор Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL), доцент факультета Бостонского университета и адъюнкт Колумбийского университета; а также другие из Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, Департамента гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института и Швейцарского федерального технологического института в Лозанне в Швейцарии.
Исследование появляется сегодня в Nature Scientific Reports .
Разогрев
Более 70 лет ученые пытались использовать управляемые реакции термоядерного синтеза для разработки источника энергии. Чтобы достичь условий, необходимых для реакции синтеза, топливо необходимо нагреть до температуры выше 100 миллионов градусов по Цельсию. (Температура ядра Солнца составляет около 15 миллионов градусов по Цельсию.)
Обычный метод удержания этого сверхгорячего топлива, называемого плазмой, заключается в использовании токамака. Эти устройства используют чрезвычайно мощные магнитные поля, чтобы удерживать плазму на месте и контролировать взаимодействие между отходящим теплом от плазмы и стенками реактора.
Однако на самом краю, между плазмой и стенками реактора, появляются сгустки, похожие на нити, выпадающие из плазмы. Эти случайные турбулентные структуры влияют на потоки энергии между плазмой и реактором.
«Знание того, что делают капли, сильно ограничивает инженерные характеристики, необходимые вашей электростанции токамак на границе», — добавляет Гольфинопулос.
Исследователи используют уникальную технику визуализации, чтобы снимать на видео турбулентный край плазмы во время экспериментов. Экспериментальная кампания может длиться месяцы; типичный день будет производить около 30 секунд данных, что соответствует примерно 60 миллионам видеокадров, при этом каждую секунду появляются тысячи капель. Это делает невозможным отслеживание всех больших двоичных объектов вручную, поэтому исследователи полагаются на усредненные методы выборки, которые предоставляют только общие характеристики размера, скорости и частоты больших двоичных объектов.
«С другой стороны, машинное обучение предлагает решение этой проблемы путем отслеживания каждого кадра по каплям, а не только среднего количества. Это дает нам гораздо больше информации о том, что происходит на границе плазмы», — говорит Хан.
Он и его соавторы взяли четыре хорошо зарекомендовавшие себя модели компьютерного зрения, которые обычно используются для таких приложений, как автономное вождение, и обучили их решать эту проблему.
Моделирование капель
Для обучения этих моделей они создали обширный набор синтетических видеоклипов, которые фиксируют случайный и непредсказуемый характер капель.
«Иногда они меняют направление или скорость, иногда несколько сгустков сливаются или разделяются. Подобные события раньше не учитывались с помощью традиционных подходов, но мы могли свободно моделировать такое поведение в синтетических данных», — говорит Хан.
Создание синтетических данных также позволило им пометить каждую каплю, что сделало процесс обучения более эффективным, добавляет Дрори.
Используя эти синтетические данные, они обучили модели рисовать границы вокруг капель, научив их точно имитировать то, что нарисовал бы ученый-человек.
Затем они протестировали модели, используя реальные видеоданные экспериментов. Во-первых, они измерили, насколько точно границы, нарисованные моделями, совпадали с реальными контурами пятна.
Но они также хотели посмотреть, предсказывают ли модели объекты, которые будут идентифицировать люди.
Они попросили трех экспертов определить центры пятен на видеокадрах и проверили, предсказывают ли модели появление пятен в тех же местах.
Модели смогли нарисовать точные границы пятен, перекрывающиеся с контурами яркости, которые считаются достоверными, примерно в 80 процентах случаев. Их оценки были аналогичны оценкам экспертов-людей и успешно предсказали определенный теорией режим капли, что согласуется с результатами традиционного метода.
Теперь, когда они продемонстрировали успех использования синтетических данных и моделей компьютерного зрения для отслеживания капель, исследователи планируют применить эти методы к другим проблемам в исследованиях термоядерного синтеза, таким как оценка переноса частиц на границе плазмы, говорит Хан.
Они также сделали набор данных и модели общедоступными и с нетерпением ждут, как другие исследовательские группы будут применять эти инструменты для изучения динамики BLOB-объектов, — говорит Дрори.
«До этого существовал входной барьер, заключавшийся в том, что в основном единственными людьми, работавшими над этой проблемой, были физики плазмы, у которых были наборы данных и которые использовали свои методы.
Существует огромное сообщество по машинному обучению и компьютерному зрению. Одна из целей этой работы — поощрить участие в исследованиях синтеза более широкого сообщества машинного обучения для достижения более широкой цели — помочь решить критическую проблему изменения климата», — добавляет он.
Это исследование частично поддерживается Министерством энергетики США и Швейцарским национальным научным фондом.
Поделиться этой новостной статьей:
Бумага
Статья: «Отслеживание пузырей в турбулентной граничной плазме токамака термоядерного устройства»
Упоминания в прессе
Newsweek
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новую модель машинного обучения, которая может идентифицировать и отслеживать капли плазмы, созданные в ходе исследований по контролируемому ядерному синтезу, сообщает Эд Браун для Newsweek . «Исследования в области термоядерного синтеза — это сложный междисциплинарный проект, для которого требуются технологии из многих областей, — объясняет аспирант Вунхи «Гарри» Хан.