라이너스(융접 실험)

Linus (fusion experiment)
기술자가 NRL Linus-0 원자로의 중앙을 살펴봅니다.

라이너스 프로그램은[a] [2]1971년부터 미국 해군 연구소가 개발한 핵융합 발전 실험 프로젝트였다.이 프로젝트의 목표는 금속 라이너 내부의 플라즈마를 압축함으로써 제어된 핵융합 반응을 생성하는 것이었다.기본 개념은 오늘날 자화 표적 융합으로 알려져 있습니다.

원자로 설계는 용해된 금속 라이너의 기계적 압축에 기초했다.챔버는 용해된 금속으로 채워지고 한 축을 따라 회전하며 중앙에 원통형 공동을 형성합니다.수천 도까지 가열하여 플라즈마 형태로 만든 적절한 핵융합 연료가 캐비티 중앙에 분사됩니다.그 후 금속은 급속히 붕괴되고 금속 내부의 자속 보존으로 인해 플라즈마는 붕괴되는 셸 안에 갇히고 그 자체가 붕괴됩니다.단열 과정은 갇힌 플라즈마의 온도와 밀도를 핵융합 조건으로 상승시킬 것이다.

액체 금속 라이너를 사용하면 원통형 고체 금속 라이너를 분해하여 고에너지 밀도 융접을 달성한 이전의 소련 실험보다 많은 이점이 있습니다.액체 금속 라이너는 반응의 열 에너지를 회수하고, 중성자를 흡수하고, 운동 에너지를 전달하며,[3] 각 사이클 동안 플라즈마를 향한 벽을 교체하는 이점을 제공했습니다.액체 라이너의 추가적인 이점으로는 원자로의 대폭 간소화된 서비스, 방사능 감소, 원자로의 영구 부분 보호,[4] 그리고 날아다니는 파편으로부터의 위험 감소 등이 있다.

이 컨셉은 2000년대에 General Fusion 디자인의 기초가 되어 현재 캐나다에서 건설되고 있다.

개념 설계

라이너스 개념에서, 원자로실은 액체 금속 라이너(일반적으로 용해된 납-리튬)로 채워진 드럼으로 구성됩니다.드럼이 회전하면서 원심력이 생성되어 용기의 내벽에 액체가 밀어 넣습니다.액체 금속은 전체 부피의 약 20%를 채울 수 있을 정도로 충분하기 때문에 회전 [5]중에 중앙의 넓은 개방 영역이 형성됩니다.작동을 위해 일반적으로 피스톤으로 구성된 시스템이 추가 액체 금속을 드럼 안으로 구동하는 데 사용됩니다.이로 인해 라이너 전체가 안쪽으로 강제됩니다.실험 시스템에서 이것은 약 10 대 1의 압축을 제공했습니다.그런 다음 피스톤을 해제하여 여분의 금속을 다시 제거하여 압축이 역전되고 금속이 [5]드럼 바깥쪽의 원래 위치에 도달합니다.

융접을 생성하기 위해 피스톤 스트로크 전에 융접 연료 플라즈마가 캐비티에 주입됩니다.금속 내의 자기 상호작용에 의해 캐비티 내의 플라즈마도 안쪽으로 강제됩니다.이 압축은 단열 과정을 통해 플라즈마 온도를 증가시켜 핵융합 관련 온도와 압력([6]cm당3 약 1억 K와17 10개의 이온)으로 상승시킨다.이러한 온도와 압력에서 융접 속도는 매우 빠르고 기계적 압축이 역전되기 전에 완료됩니다.전형적인 중수소-삼중수소(D-T) 연료의 경우 이러한 반응에 의해 방출되는 에너지는 대부분 약 14.1 MeV의 고에너지 중성자의 형태이다.이것들은 액체 금속에 포착되어 온도가 상승합니다.일부 중성자는 라이너의 리튬과 상호작용하며, 새로운 삼중수소를 생성하는 핵 반응을 겪을 것이다.작동 중인 원자로에서, 에너지는 전통적인 열 구동 발전소의 경우와 같이 증기 발생기를 사용하여 추출되는 반면, 삼중수소는 다양한 화학적 [5]과정을 통해 추출될 것이다.

Linus 개념의 주요 장점은 한 번만 사용할 수 있는 얇은 고체 금속 쉘을 사용하는 다른 개념과 달리 압축 사이클이 가역적이라는 것입니다.이를 통해 시스템은 일반적으로 마지막 반응의 결과를 지우고 새로운 연료 플라즈마를 생성 및 주입할 수 있는 능력에 의해 몇 [6]초의 시간 척도로 지속적으로 작동할 수 있습니다.또한 회전하지 않는 셸을 사용하는 시스템은 레일리-테일러 불안정성의 영향을 받기 때문에 안정화가 매우 어려운 것으로 판명되었습니다.라이너스의 액체의 회전은 이러한 불안정성을 억제합니다.마지막으로, 금속은 다른 [6]설계에서 주요한 문제인 중성자속으로부터 원자로의 나머지를 보호합니다.

역사

Linus의 노력은 궁극적으로 그 역사를 NRL의 Ramy Shanny와 E.P. 사이의 논의로 거슬러 올라간다.쿠르차토프 [7]연구소의 벨리호프입니다

융합의 경로로서의 초고자기장의 기본 개념은 1950년대에 안드레이 사하로프에 의해 고려되어 왔으며, 그는 필요한 필드를 만들기 위해 금속 라이너를 파괴할 것을 제안했다.이 개념은 벨리호프가 소규모 실험을 시작한 1960년대까지 받아들여지지 않았다.금속 라이너의 비용은 생산될 전기의 가치인 "코펙 문제"[b]보다 높을 수 있다는 것을 깨닫고,[7] 대신 액체 금속 라이너를 사용하는 아이디어를 고려했습니다.

Shanny는 그러한 시스템이 어떻게 Rayleigh-Taylor 문제에 대해 안정화 될 것인지에 대해 물었다.벨리호프는 드럼 안의 중력에 대해 어떻게 안정될 수 있는지를 묻는다고 생각하면서 질문을 오해했다.그는 그들이 돌려주겠다고 대답했다.Shanny가 이 답을 고려했을 때, 그는 그것이 실제로 Rayleigh-Taylor에 대해 안정되었다는 것을 알게 되었고, Linus 프로그램이 [1]탄생했다.

수지 1세

이 개념에 대한 경험을 쌓기 위해 NRL은 처음에 라이너 임플란더를 제작했습니다.최초의 실험 장치는 1971년 D.C. dePackh의 지시로 제작된 수지였습니다.그 시스템은 소련의 실험과 많은 이후의 장치들과 같은 고체 금속 라이너를 사용했다.라이너는 50kJ 캐패시터 [8]뱅크를 사용하여 세타 핀치 프로세스를 통해 안쪽으로 구동되었습니다.

수지 2세

A.E. 롭슨과 P.J.Turchi는 1972년에 이 프로그램에 참가했고 dePackh는 NRL을 떠났다.Robson과 Turchi는 당시 Suzy I과 유사한 시스템인 Suzy II를 통해 컨셉 개발을 계속했지만 훨씬 더 크고 더 강력한 540kJ 캐패시터 뱅크 전원을 장착했습니다.수지 II는 초기 직경 20~30cm에서 최종 직경 약 1cm로 라이너를 압축하여 전체 압축비를 28:1로 제공했습니다.20kpsi 이상의 압력은 [8]폭발 중에 달성되었다.

수지 II 실험의 성공으로, 관심은 액체 라이너에 쏠렸다.이것은 상온에서 액체인 공정비(22% Na, 78% K)로 나트륨-칼륨 합금(NaK)을 채운 강철 드럼 내부의 플라스틱 라이너를 사용하여 수지 II에 제작되었습니다.서로 다른 동력으로 내파 둑을 발사함으로써 내파 속도와 회전 속도 사이의 관계를 시험할 수 있었다.회전속도가 충분히 높은 한, 라이너가 압축되어 각운동량 보존에 의해 회전속도가 증가하면 구심력은 겉보기 중력 벡터를 바깥쪽으로 향하게 했다.이것은 R-T의 불안정성에 대해 안정적입니다. 왜냐하면 R-T는 중앙의 가벼운 유체가 바깥쪽으로 떨어지는 것을 의미하기 때문입니다.자연적으로 안정된 상태입니다.[1]

수지 2세는 라이너의 안정적인 내측 압박에 성공했지만 불행하게도 그 반대는 사실이 아니었다.압축전류를 끄자 라이너가 다시 팽창하기 시작하면서 다시 가벼운 유체로 이동하면서 R-T 불안정성이 다시 나타났다.이로 인해 라이너는 물방울로 분해되었고, 높은 질량과 속도 때문에 전체 내장 에너지로 컨테이너에 무작위로 충격을 가했습니다.생산 기계에서 이것은 약 50파운드([9]23kg)의 TNT에 해당하는 100 MJ가 됩니다.

피스톤 내파 실험

확장 중 라이너 파단에 대한 해결책은 추가 라이너 재료로 공백을 메우는 것입니다.이로 인해 Suzy에서와 같이 전자파 드라이버를 사용할 수 없으며, 탱크에서 메인 챔버로 기계식 피스톤 구동 재료를 사용하는 것이 주목됩니다.피스톤은 압축 [9]가스에 의해 구동되었다.

몇 개의 실험 기계가 뒤따랐다.첫 번째 "물 모델"은 주위에 방사형으로 배치된 피스톤이 있는 물 드럼으로 구성되었습니다.피스톤을 포함한 전체 시스템이 회전했습니다.이는 기본적인 접근 방식을 확인했지만, 피스톤 타이밍이 요구되는 정확도로 제어하기 어려운 것으로 판명되었기 때문에 문제가 있었다.이 문제는 단일 선원에 의해 연소될 수 있는 피스톤이 고리 모양으로 배열된 새로운 피스톤 레이아웃으로 해결되었습니다.이것은 문제를 해결하는 것으로 증명되었고, 계획은 더 큰 장치를 [9]만들기 시작했다.

라이너스-0

피스톤 모델의 성공과 함께 수지 II 기계와 같은 크기와 에너지와 유사한 더 큰 기계를 만들기 위한 계획이 시작되었다.그 결과, 48인치(1,200 mm) 직경의 강철 로터가 일련의 소형 고폭력 DATB를 사용하여 평방인치(34,000 kPa)당 5,000파운드까지 가압된 가스 실린더로 둘러싸인 라이너스-0 설계로 이어졌습니다.CHNO6556) 전하. 고분자 결합 [10]폭발성 PBXN이라고도 하며 높은 융점, 낮은 입자성 물질 및 호환성이 있는 저비용 때문에 선택됩니다.전하가 장치 한쪽 끝에 있는 일련의 포트에 로드되어 시스템을 가압하기 위해 실험 실행 직전에 발사되었습니다.이너 로터는 454입방인치 쉐보레 V8 [9]엔진을 사용하여 2100RPM으로 회전했습니다.

라이너스-0은 로터가 다른 작업에 급급할 정도로 큰 유일한 기계 공장 때문에 제작 속도가 느리다는 것이 입증되었고, 이 장치는 프로그램이 종료되기 직전인 1978년이 되어서야 완성되었다.그럼에도 불구하고, 이 시스템은 물과 함께 사용되었고 [9]작동 가능한 짧은 시간에 반복 촬영이 가능함을 증명했습니다.데이터 수집 중에 Linus-0이 하루에 [6]3번씩 발사되었습니다.

헬리오스

라이너스-0의 건설이 지연되면서 하프스케일 버전인 헬리우스가 [8]건설되었다.라이너 챔버에 액체 나트륨과 칼륨을 사용하도록 설계되었습니다.실제로 물의 사용은 유체역학 [11]연구에 충분했다.실험에서 액체 나트륨 칼륨 라이너는 고압 헬륨(120atm)을 사용하여 기계 [8]피스톤을 구동하기 위해 분해되었습니다.

프로젝트 운명

라이너스 설계에 대한 초기 제안은 내부에 연속 플라즈마가 있는 라이너의 원통형 붕괴에 기초했다.이 배열은 플라즈마가 금속의 붕괴 원통 끝에서 뿜어져 나오는 것을 막을 수 있는 것이 없다는 것을 의미했다.이것은 반드시 문제가 되지 않았다; 라이너와 플라즈마 둘 다 음속으로 움직였지만, 금속의 음속은 플라즈마보다 훨씬 더 높기 때문에, 대부분의 플라즈마는 이미 반응을 완료하기 전에 움직일 시간이 없을 것이다.음속보다 훨씬 빠르게 작동하는 교환 불안정으로 이어질 수 있는 실린더 끝의 곡률에 대한 우려가 있었습니다.이 효과의 규모는 전혀 존재하지 않는 경우 조사되지 않았다.

이 접근법의 단점은 일부 플라즈마가 빠져나갔다는 것이며, 그 양은 폭발 속도가 감소함에 따라 증가하였다.적절한 반응 속도를 얻기 위해서는 75~100 MJ 정도의 운전자 에너지가 필요했습니다.이를 달성하는 것이 불가능하지는 않았지만, 이러한 스토리지 시스템을 구축하는 데는 여전히 상당한 자본 비용이 소요되었으며, 이로 인해 발생하는 높은 에너지 및 고속 붕괴는 엔지니어링상의 과제가 되었습니다.

Linus는 FRC라는 또 다른 퓨전 개념이 처음 등장할 때 개발되었습니다.이것은 본질적으로 냉각될 때까지 자연적으로 안정된 플라즈마 연기 링입니다.기계 내부에서 FRC를 사용하면 실린더의 끝에 자연스럽게 갇히게 되어 혈장이 빠져나가는 것을 방지할 수 있습니다.이렇게 하면 필요한 내파 에너지가 대폭 감소하여 기계 전체의 크기와 비용이 절감됩니다.

그 당시 FRC는 매우 새로운 기술이었다.그러나 그것들이 폭발 없이도 핵융합 시스템을 성공적으로 만들 수 있는 기술수준의 큰 발전을 나타내는 것처럼 보였기 때문에, NRLs의 관심은 빠르게 FRC의 기초 물리학으로 바뀌었다.Linus-0과 Helius에 대한 실험은 설계, 제작 및 조립 단계에서 발생한 지연으로 인해 비교적 짧은 시간이었습니다.지연이나 예상치 못한 문제로부터 복구하는 데 시간이 할당되지 않았고, 결국 머신은 분해되어 [12]스토리지에 배치되었습니다.

Linus 프로젝트는 몇 가지 공학적 문제에 부딪혔고, 이로 인해 성능이 제한되었고, 따라서 상업용 핵융합 전력에 대한 접근법으로서의 매력이 제한되었습니다.이러한 문제에는 플라즈마 준비 및 주입 방법의 성능, 가역 압축-팽창 사이클을 달성하는 능력, 라이너 재료로의 자속 확산 문제, 그리고 달성하지 못한 사이클 사이의 공동에서 기화 라이너 재료를 제거하는 능력(약 1초 이내)이 포함되었습니다.이쉬드.[13][14] 액체 금속 라이너를 펌핑하는 내부 메커니즘의 설계에서도 단점이 발생했습니다.

또 다른 주요 문제는 액체 라이너 내의 유체역학적 불안정성에 관한 것이었다.액체가 부정확하게 압축되면 플라즈마 경계는 레일리-테일러 불안정성을 겪을 수 있다.이 상태는 압축 효율을 낮추고 라이너 물질(증발된 납 및 리튬) 오염 물질을 플라즈마에 주입함으로써 핵융합 반응을 완화할 수 있습니다.두 효과 모두 핵융합 반응의 효율성을 감소시킵니다.강한 불안정성은 [4]원자로에 손상을 입힐 수도 있다.압축 시스템의 타이밍을 당시의 기술과 동기화할 수 없었고, 제안된 설계는 [15]취소되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ Peanuts [1]캐릭터의 이름을 따서 명명되었습니다.
  2. ^ 소련이 1페니와 맞먹는 코펙을 따서 이름지었지

레퍼런스

  1. ^ a b c 투르치 2018, 페이지 5
  2. ^ Robson, A.E. (1 November 1978). "A Conceptual Design for an Imploding-Liner Fusion Reactor (LINUS)" (PDF). NRL Memorandum Report. NRL-MR-3861: 1. Archived (PDF) from the original on 30 September 2019. Retrieved 15 December 2017.
  3. ^ Robson, A.E. (June 1973). "LINUS – An Approach to Controlled Fusion Through the Use of Megagauss Magnetic Fields". Report of NRL Progress 1973 Jan–Jun: 7. Retrieved 15 December 2017.
  4. ^ a b Turchi, P J; Book, D L; Burton, R L (25 June 1979). "Optimization of Stabilized Imploding Liner Fusion Reactors" (PDF). NRL Memorandum Report. NRL-MR-4029: 121. Bibcode:1979fute.conf..121T. Archived (PDF) from the original on 18 December 2020.
  5. ^ a b c 투르치 2018, 페이지 4
  6. ^ a b c d Robson, A. E. (1980). "A Conceptual Design for an Imploding-Liner Fusion Reactor". Megagauss Physics and Technology. Springer US. pp. 425–436. doi:10.1007/978-1-4684-1048-8_38. ISBN 978-1-4684-1050-1.
  7. ^ a b 투르치 2018, 페이지 1
  8. ^ a b c d Turchi, P J; Burton, R L; Cooper, R D (15 October 1979). "Development of Imploding Linear Systems for the NRL LINUS Program" (PDF). NRL Memorandum Report. NRL-MR-4092. Archived (PDF) from the original on 14 August 2021.
  9. ^ a b c d e 투르치 2018, 페이지 6
  10. ^ Ford, R.D.; Turchi, P.J. (21 July 1977). "Pulsed High Pressure Gas Generator for the LINUS-0 System" (PDF). NRL Memorandum Report. NRL-MR-3537. Archived (PDF) from the original on 14 August 2021. Retrieved 15 December 2017.
  11. ^ Turchi, P.J.; Cooper, A.L.; Jenkins, D.J; Scannell, E.P. (2 April 1981). "A Linus Fusion Reactor Design Based On Axisymmetirc Implosion Of Tangentially Injected Liquid Metal" (PDF). NRL Memorandum Report. 4388. Archived (PDF) from the original on 23 March 2020. Retrieved 14 December 2017.
  12. ^ Scannell, E P (27 August 1982). "Perform Experiments on LINUS-0 and LTX Imploding Liquid Liner Fusion Systems. Final Report" (PDF). J206-82-012/6203. Archived (PDF) from the original on 14 August 2021. Retrieved 19 December 2017. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  13. ^ Miller, R.L.; Krakowski, R.A. (14 October 1980). "Assessment of the Slowly-Imploding Linear (LINUS) Fusion Reactor Concept" (PDF). 4th ANS Topical Meeting on the Technology of Controlled Nuclear Fusion. Retrieved 19 December 2017.
  14. ^ Siemon; Peterson; et al. (1999). The relevance of Magnetized Target Fusion (MTF) to practical energy production (PDF).
  15. ^ Cartwright, Jon. "An Independent Endeavour". Physics World. Retrieved 24 March 2017.

참고 문헌