자화 대상 융합

Magnetized target fusion

MTF(Magnetized Target Fusion)는 자기제한융합(MCF)과 관성제한융합(ICF)의 특징을 결합한 융합전력 개념이다.자기접근법과 마찬가지로 핵융합연료는 플라즈마로 가열되는 동안 자기장에 의해 밀도가 낮아집니다.관성적 접근과 마찬가지로, 핵융합은 연료 밀도와 온도를 크게 높이기 위해 목표물을 빠르게 압축함으로써 시작됩니다.ICF보다 밀도가 훨씬 낮지만, 더 긴 감금 시간과 더 나은 열 유지의 조합으로 MTF를 작동시킬 수 있을 것으로 생각됩니다.자기관성융합(MIF)이라는 용어는 유사하지만 다양한 배치를 포함합니다.이 두 항은 종종 실험에 서로 바꿔서 적용됩니다.

퓨전 개념

주요 기사:퓨전 파워

핵융합에서는 더 가벼운 원자가 융합되어 더 무거운 원자가 만들어진다.이것을 하기 가장 쉬운 연료는 [1]수소의 동위원소이다.일반적으로 이러한 반응은 플라즈마 안에서 일어납니다.플라즈마는 가열된 기체로 모든 전자가 제거되고 가스가 완전히 이온화됩니다.이온은 양전하를 띠기 때문에 정전력에 의해 서로 밀어냅니다.융접은 두 이온이 높은 에너지로 충돌할 때 일어나며, 강한 힘이 짧은 거리에서 정전력을 극복할 수 있게 해준다.핵을 서로 밀어내기 위해 적용해야 하는 에너지의 양은 쿨롱 장벽 또는 핵융합 장벽 에너지라고 불립니다.용융이 벌크 플라즈마에서 일어나려면 수천만 도까지 가열되고 충분한 시간 동안 고압으로 압축되어야 합니다.이를 함께 삼중곱이라고 합니다(로슨 [2]기준 참조).핵융합 연구는 가능한 한 높은 세 배의 곱에 도달하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

자기융접은 희석된 플라즈마(cm당143 10 이온)를 약 20 keV(~ 2억 C)의 고온으로 가열하는 역할을 합니다.주변 공기는 약 10만 배 밀도가 높습니다.이러한 온도에서 실용적인 원자로를 만들기 위해서는 연료를 약 1초 동안 장기간 제한해야 한다.ITER tokamak 설계는 현재 최대 20분의 펄스 길이로 자기 접근법을 테스트하기 위해 구축되고 있습니다.

관성융합은 납 밀도의 약 100배인 입방 cm당 10개의 이온을 훨씬25 더 높은 밀도로 생산하려고 시도합니다.이로 인해 반응이 매우 빠르게 일어난다(~1나노초).제한은 필요하지 않습니다. 반응에 의해 생성된 열과 입자가 플라즈마를 바깥쪽으로 폭발시키지만, 발생하는 속도는 핵융합 반응보다 느립니다.

2018년 현재, 이러한 두 가지 핵융합 방법은 수십 년간의 연구 끝에 순에너지(Q>1) 수준에 근접하고 있지만, 실용적인 에너지 생산 장치와는 거리가 멀다.

접근

MCF와 ICF는 서로 다른 방향에서 Lawson 기준 문제를 공격하지만 MTF는 두 방향 사이에서 작동하려고 합니다.MTF는 MCF(10cm14−3)와 ICF(10cm25−3)[3] 사이의 중간인 10cm의19−3 혈장 밀도를 목표로 한다. 이 밀도에서, 감금 시간은 1µs, 다시 다른 두 가지 사이의 중간이어야 한다.MTF는 플라즈마 손실을 늦추기 위해 자기장을 사용하고 플라즈마를 [3]가열하기 위해 관성 압축을 사용합니다.

일반적으로 MTF는 관성법이다.압축이 일반 가스를 가열하는 것처럼 연료를 압축하고 플라즈마를 가열하는 펄스 작동을 통해 밀도가 높아집니다.전통적인 ICF에서는 목표물을 압축하는 레이저를 통해 더 많은 에너지가 추가되지만, 그 에너지는 여러 채널을 통해 누출됩니다.MTF는 압축 전에 생성된 자기장을 사용하여 연료를 격리하고 절연하여 손실되는 에너지를 줄입니다.ICF와 비교하여, 그 결과는 중간 반응 속도로 융접을 거치는 다소 밀도가 높고 다소 뜨거운 연료 덩어리이므로, 중간 시간 동안만 제한되어야 한다.

연료 펠릿이 압축되면 플라즈마 내의 열과 압력이 증가합니다.붕괴 속도는 일반적으로 선형이지만 압력은 압축의 세제곱에 따라 증가하는 부피를 기반으로 합니다.어떤 지점에서는 압력이 붕괴를 멈추었다가 되돌리기에 충분합니다.연료 주위의 금속 라이너 질량은 이 프로세스가 발생하는 데 시간이 걸린다는 것을 의미합니다.MTF 개념은 이 드웰 시간이 융접 프로세스가 [4]수행될 수 있을 만큼 길어야 한다는 점에 기초하고 있습니다.

MTF는 ICF 및 저밀도 플라즈마 융접보다 장점이 있습니다.에너지 입력은 비교적 효율적이고 저렴하지만 ICF는 현재 낮은 효율성을 제공하는 특수 고성능 레이저를 필요로 합니다."드라이버"라고 불리는 이러한 레이저의 비용과 복잡성은 너무 커서 기존의 ICF 방식은 상업용 에너지 생산에는 여전히 실용적이지 않습니다.마찬가지로 MTF는 연료를 압축하는 동안 연료를 안정시키고 절연하기 위해 자기 구속이 필요하지만, 필요한 구속 시간은 MCF의 수천 배입니다. MTF에 필요한 순서의 구속 시간은 수년 전 MCF 실험에서 입증되었습니다.

MTF에 필요한 밀도, 온도 및 제한 시간은 최신 기술 수준이며 반복적으로 [5]입증되었습니다.Los Alamos National Laboratory는 이 개념을 "핵융합으로 가는 저비용 경로"라고 언급했습니다.

장치들

FRX-L

Los Alamos National Laboratory의 FRX-L이라는 [6]선구적인 실험에서 플라즈마는 최초로 석영관 내부의 가스(일반적으로 테스트용 비연료 가스)를 통해 전류를 변압기 결합함으로써 저밀도로 생성됩니다.그러면 플라즈마가 약 200eV(~230만도)까지 가열됩니다.외부 자석은 연료를 튜브 안에 가둬둡니다.플라스마는 전류가 흐를 수 있도록 전기적으로 전도됩니다.이 전류는 전류와 상호 작용하는 자기장을 생성합니다.플라즈마는 설정된 후 플라즈마 내에서 필드 및 전류가 안정되도록 배치되어 플라즈마를 스스로 구속합니다.FRX-L은 이 목적을 위해 필드 반전 설정을 사용합니다.온도 및 가두는 시간이 MCF보다 100배 낮기 때문에 가두는 비교적 쉽게 배열할 수 있으며 대부분의 현대 MCF 실험에서 사용되는 복잡하고 값비싼 초전도 자석이 필요하지 않습니다.

FRX-L은 플라즈마 생성, 테스트 및 [3]진단에만 사용됩니다.최대 1MJ의 에너지를 저장하는 4개의 고전압(최대 100kV) 캐패시터 뱅크를 사용하여 10cm 직경의 석영 [6]튜브를 둘러싼 1회전 자기장 코일로 1.5MA 전류를 구동합니다.FRX-L은 플라즈마 발생기로서 현재 (2~4)×10cm의16−3 밀도, 100~250eV의 온도, 2.5T의 자기장, 10~[7]15μs의 수명을 보이고 있다.이 모든 것은 에너지 양성 기계에 필요한 정도의 크기 안에 있습니다.

FRX-L은 나중에 "인젝터"[8] 시스템을 추가하기 위해 업그레이드되었습니다.이는 석영 튜브 주위에 위치하며 자기 코일의 원뿔 배열로 구성됩니다.전원이 공급되면 코일은 튜브의 한쪽 끝에는 강하고 다른 쪽 끝에는 약한 필드를 생성하여 플라즈마를 더 큰 끝에는 밀어냅니다.이 시스템을 완성하기 위해,[6] 이 인젝터는 미국 노스캐롤라이나 주 앨버커키에 있는 커틀랜드 공군 기지에 있는 공군 연구소의 다이렉트 에너지 연구소에서 기존의 시바 스타 "캔 크래셔"의 초점 위에 배치될 계획이었다.

프락스

2007년, 시바 [9]스타에 FRCHX라고 불리는 실험이 행해졌다.FRX-L과 마찬가지로 생성 영역을 사용하며 시바 스타 라이너 압축 영역에 플라즈마 번들을 주입합니다.Shiva Star는 약 1.5 MJ의 운동 에너지를 1mm 두께의 알루미늄 라이너에 전달하며, 약 5km/s에서 원통형으로 붕괴됩니다.이는 플라즈마 다발을 약 5×10cm의18−3 밀도로 분해하고 온도를 약 5keV로 높여 D-D 연료를 사용하여 [9]"샷당 10개의 중성자"의12 중성자 수율을 생성한다.MJ 범위에 있는 큰 샷에서 방출되는 전력은 일주일 정도 장비를 재설정하는 기간이 필요합니다.장비에 의해 야기되는 거대한 전자기 펄스(EMP)는 진단하기 어려운 환경을 형성합니다.

핵융합 실험 플랜트

General Fusion of Canada는 영국 원자력청과 협력하여 상업적으로 실행 가능한 파일럿 플랜트의 선구자로서 영국 Culham에 시범 플랜트를 건설할 예정이다.반응 용기는 증기에 의해 구동되는 동기화된 피스톤의 작용에 의해 구체로 형성되는 액체 금속(납, 중성자 활성화를 통해 형성된 삼중수소를 수확하기 위해 리튬을 포함)의 빠른 회전 실린더가 될 것이다.플라즈마가 수축하면서 구에 주입되어 핵융합 반응이 일어나기에 충분한 온도와 압력을 생성합니다.액체 금속은 열 교환기를 통해 순환되어 증기를 공급합니다.

2022년에 착공해 [10][11][12]2025년에 가동할 예정이다.

과제들

MTF는 핵융합 전력에 대한 첫 번째 "새로운 접근법"이 아닙니다.1960년대에 ICF가 도입되었을 때, 1980년대까지 실용적인 핵융합 장치를 생산할 것으로 예상되는[by whom?] 급진적인 새로운 접근 방식이었다.그 외의 어프로치에서는, 출력 전력의 생산의 어려움을 크게 증가시키는 예기치 않은 문제에 직면하고 있습니다.MCF에서는 밀도 또는 온도가 높아짐에 따라 플라스마에서 예기치 않은 불안정성이 발생하였습니다.ICF의 경우 예상치 못한 에너지 손실과 빔의 "평활화"에 어려움이 있었습니다.이것들은 현대식 대형 기계에서 부분적으로 다루어져 왔지만, 큰 비용만 들였다.

일반적으로 MTF의 과제는 ICF의 과제와 유사한 것으로 보인다.전력을 효율적으로 생산하려면 밀도가 작동 수준까지 높아진 다음 연료 질량의 대부분이 융접을 겪을 수 있을 만큼 오래 유지되어야 합니다.이는 금속 라이너가 안쪽으로 구동되는 동안 발생합니다.금속을 핵융합 연료와 혼합하면 반응이 "소멸"됩니다(플라즈마가 혈관 벽에 닿을 때 MCF 시스템에서 발생하는 문제).마찬가지로 붕괴는 플라즈마가 연소하는 동안 불안정해질 수 있는 "핫 스폿"을 피하기 위해 상당히 대칭적이어야 합니다.

상업적 개발의 문제는 기존의 핵융합로 설계와 유사하다.기계의 초점에서 고강도 자기장을 형성해야 하는 것은 내부로부터 열을 추출해야 하는 필요성과 상충되므로 원자로의 물리적 배치가 어렵다.또, 융접 공정은(적어도 공통의 반응으로) 다수의 중성자를 방출해, 중성자 메짐화를 초래해, 지지 구조의 강도나 금속 배선의 전도성을 저하시킨다.전형적인 MCF 체계에서 중성자는 연료로 공급될 더 많은 삼중수소를 생성하기 위해 리튬 껍질에서 포획되어 전체 배열을 더욱 복잡하게 만든다.물론 중수소와 중수소의 융합은 이 요구사항을 피할 것이다.

코펙 문제

MTF 개념의 또 다른 관심사는 코펙 문제다.코펙은 러시아 화폐 단위이며 1루블당 100코펙이다.미국 달러 대비 75루블의 환율로 코펙은 가치가 거의 없다.그 이름은 아주 작은 [13]돈의 가치를 암시하기 위한 것이다.

문제는 베이스라인 MTF에 사용되는 금속 라이너가 반응 중에 소비된다는 것입니다.그 대가로, 그 장치는 전기를 발생시킬 것이다.하지만, 그 전기의 가치는 매우 낮습니다. 몇 푼 안 되는 금액입니다.따라서 순 양의 현금흐름을 생성하기 위해 장치는 샷당 엄청난 양의 에너지를 생성해야 한다. 비현실적으로 많은 양의 에너지를 생성해야 한다. 그렇지 않으면 연료 집합체의 비용은 코펙 [14]정도로 작아야 한다.

코펙 문제에 대한 두 가지 잠재적 해결책이 확인되었다. 즉, "핫스팟 점화"를 사용하면 에너지 입력에 비해 에너지 방출이 크게 증가하므로 이득 측면에서 문제를 해결할 수 있는 것으로 보인다.다른 하나는 일부 컴포넌트를 재활용하는 것입니다.또는 유체벽 시스템의 경우 처음부터 [14]어떤 재료도 손실되지 않도록 하는 것입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ ICF에 관한 Azenti Book, 2004, 1장
  2. ^ "Triple product". EFDA. 2014-06-20. Archived from the original on 2014-09-11. Retrieved 2014-08-24.
  3. ^ a b c LANL에서의 자화 대상 핵융합 실험
  4. ^ Dahlin, Jon-Erik (June 2001). "Reactor Potential for Magnetized Target Fusion" (PDF). {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  5. ^ J. H. Degnan, J.; et al. (1999). "Compression of Plasma to Megabar Range using Imploding Liner". Physical Review Letters. 82 (13): 2681. Bibcode:1999PhRvL..82.2681D. doi:10.1103/PhysRevLett.82.2681.
  6. ^ a b c FRX-L: 마그네틱 타깃 융접용 플라즈마 인젝터
  7. ^ "A high density field reversed configuration (FRC) target for magnetized target fusion" (PDF). Archived from the original (PDF) on January 16, 2009. Retrieved August 25, 2009.
  8. ^ FRC 번역 예측 응용 프로그램
  9. ^ a b FRCHX 자기화 타깃 HEDLP 실험 (IAEA 2008 Fusion Energy Conference)
  10. ^ "General Fusion to build its Fusion Demonstration Plant in the UK, at the UKAEA Culham Campus" (Press release). 2021-06-16. Retrieved 2021-06-17.
  11. ^ "Our Technology - How does Magnetized Target Fusion work?". General Fusion. Retrieved 17 June 2021.
  12. ^ "5 Big Ideas for Making Fusion Power a Reality". IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News. IEEE. 28 January 2020. Retrieved 26 June 2021.
  13. ^ Seimon, R. "Magnetized Target Fusion". UCSD.
  14. ^ a b 세이몬.

추가 정보

  • R.E. Siemon, I.R. Lindemuth, K.F.쇤베르크, MTF가 핵융합에 대한 저비용 경로인 이유, 플라즈마 물리학 제어 핵융합 vol 18 제6호, 페이지 363–386(1999)에 대해 논평한다.
  • P.V. Subhash et al. 2008 Phys.Scr. 77 035501 (12pp) doi:10.1088/0031-8949/77/03/035501 역Z-핀치 자화 대상 융합 시스템에서 라이너 불균일성이 플라즈마 불안정성에 미치는 영향: 라이너 온 플라즈마 시뮬레이션 및 선형 안정성 분석과의 비교