Глава 546. Изменить способ синтеза •
В кабинете Сюй Чуань и Лян Цюй немного поболтали, обсудив последующие рабочие планы.
Он больше не вмешивался в эксперименты со стелларатором, почти все было передано Институту энергетики, и первые данные работы термоядерного реактора Хуасин были довольно хорошими.
Но у него были и другие опасения.
Конечно, он не беспокоился о том, что стелларатор не сможет осуществить реальный запуск, об этом он не беспокоился.
Переход от интегрированного токамака к усовершенствованному стелларатору требовал корректировки многих вещей, но ядро по-прежнему основывалось на теории магнитного удержания.
А ядро магнитного удержания касалось трех основных блоков: численной модели турбулентности плазмы, материала первой стенки и удерживающего магнитного поля.
Эти три основных блока они давно решили на термоядерном реакторе Рассвет.
У Сюй Чуаня было два основных опасения: первое - возможность миниатюризации, а второе - недостаточная мощность стелларатора, то есть после зажигания выводимая энергия могла быть далеко не достаточной.
Первая проблема, судя по текущим экспериментальным данным, уже не была большой проблемой.
Но вторая проблема, пока не было известно, как обстоят дела.
Преимущество стелларатора заключалось в том, что контроль турбулентности плазмы был намного лучше, чем у токамака, но его мощность, как было общепризнано, была ниже, чем у токамака.
Его выходная мощность была низкой, или, можно сказать, почти не могла сравниться с токамаком.
Это было предопределено структурой стелларатора, и это было то, что больше всего беспокоило Сюй Чуаня.
Особенно после миниатюризации, мощность могла быть еще ниже, настолько низкой, что вырабатываемой энергии было бы совершенно недостаточно.
Ведь чем меньше объем, тем меньше плазмы сможет вместить камера реактора, а чем меньше дейтериево-тритиевой плазмы, тем меньше вероятность столкновения и синтеза.
Реактор управляемого термоядерного синтеза - это не просто зажигание, стабилизация турбулентности плазмы, завершение синтеза дейтерия и трития и вывод энергии.
Это лишь основа синтеза, а на основе есть еще кое-что, называемое Q-значением.
Здесь на самом деле затрагивается концепция того, что можно считать "реализацией управляемого термоядерного синтеза".
Многие люди могут подумать, что если поддерживать работу плазмы в камере реактора, позволить ей синтезироваться и выводить энергию, то это и есть реализация управляемого термоядерного синтеза.
Но на самом деле, строго говоря, это не так.
Термоядерный синтез нельзя зажечь просто так, нам нужно сначала ввести энергию в реактор, чтобы получить выходную энергию (это относится к повышению температуры дейтериево-тритиевой плазмы с помощью нагревательной антенны ICRF, чтобы она сталкивалась и синтезировалась, производя больше тепла).
Если рассматривать введенную энергию как "вход X", то на основе поддержания работы плазмы, энергия, выводимая из реактора, будет "выходом Y".
А разница между Y и X - это так называемое Q-значение.
Только когда Q-значение равно единице, реактор может поддерживать стабильность, не требуя внешнего ввода энергии, полагаясь на собственную реакцию синтеза.
А Q-значение больше 1 означает, что реактор может выводить энергию наружу, и чем выше Q-значение, тем больше энергии выводится.
Но из-за нынешних технологий электростанции не могут преобразовывать энергию, вырабатываемую термоядерным синтезом, на 100%, теоретически, достижение 40-50% было бы очень впечатляющим, а термоядерный реактор Рассвет, использующий магнитогидродинамический генератор + традиционный тепловой двигатель, достиг всего 73%.
Плюс различные другие потери, грубо говоря, когда Q-значение равно 2,5, управляемый термоядерный синтез может "выйти в ноль", то есть вложенные "деньги" и "деньги", полученные от выработки электроэнергии, уравновешиваются.
Но очевидно, что просто "выйти в ноль" недостаточно, учитывая огромную инфраструктуру и последующие затраты на обслуживание, ученые в целом считают, что "Q-значение" управляемого термоядерного синтеза должно быть больше 50, чтобы можно было считать, что технология управляемого термоядерного синтеза действительно реализована.
А Q-значение термоядерного реактора Рассвет превышало трехзначное число.
Это и было причиной, по которой Сюй Чуань изначально выбрал токамак в качестве цели, внутренняя температура токамака выше, камера реактора упорядочена, он может вместить больше дейтериево-тритиевой плазмы, и производимое Q-значение будет больше.
Выслушав вопрос Сюй Чуаня, Лян Цюй задумался и ответил: "Повышение температуры синтеза, возможно, может решить эту проблему?"
Сюй Чуань кивнул и сказал: "Это действительно один из способов, можно рассмотреть. Но повышение температуры для стелларатора, с одной стороны, довольно сложно, а с другой стороны, может быть, это лечение симптомов, а не причины."
"Заряженные частицы в тороидальном магнитном поле обычно должны совершить много оборотов по кольцу, чтобы соединить нижнюю и верхнюю части, тем самым эффективно нейтрализуя накопление заряда. Но это очень невыгодно для стелларатора, различные формы катушек стелларатора очень многочисленны и крайне нерегулярны, что создает большое количество локальных магнитных зеркал."
"А магнитные зеркала могут в определенной степени удерживать заряженные частицы, что приведет к тому, что некоторые частицы будут "захвачены" в локальных магнитных зеркалах и не смогут полностью завершить кольцевое движение, и, следовательно, не смогут устранить дрейф, вызванный кривизной магнитного поля и градиентом магнитного поля, что приведет к потере частиц."
"Особенно высокоэнергетические ионы, используемые для нагрева других частиц, из-за очень низкой частоты столкновений, как только они захватываются локальным магнитным зеркалом, они почти не могут выбраться, и потери происходят очень быстро. Это чрезвычайно важно для самоподдерживающегося нагрева термоядерного реактора (нагрев дейтерия и трития ядрами гелия с энергией 3,5 МэВ, образующимися в результате реакции синтеза)."
Предложение Лян Цюй действительно было осуществимым, потому что чем выше температура, тем выше активность частиц, и чем выше активность, тем больше вероятность столкновения.
Но он больше думал о том, как решить эту проблему в корне.
В эти дни он все время думал о том, как перестроить катушки внешнего поля и обмотки магнитов стелларатора, и не только потому, что производство трехмерных улучшенных сверхпроводящих катушек было слишком сложным, но и отчасти потому, что он искал способ решить эту проблему.
Услышав это, Лян Цюй тоже немного растерялся, нахмурившись, подумал и сказал: "Но структуру стелларатора изменить очень сложно."
"Он сам по себе снижает сложность магнитного удержания за счет чрезвычайно высокой инженерной сложности, и если его перестраивать, то, не говоря уже о сложности, изменив его структуру, сможет ли он продолжать миниатюризироваться, тоже большая проблема."
Сюй Чуань покачал головой: "Нет, общую структуру и форму стелларатора нельзя сильно корректировать и изменять, если мы их скорректируем, то нам придется столкнуться с проблемами магнитных островов плазмы, разрыва магнитных поверхностей, эффекта скручивания и т.д."
"И у нас пока нет средств для решения этих проблем в процессе миниатюризации, поэтому мы можем полагаться только на особую структуру стелларатора, чтобы избежать их."
Сюй Чуань подумал и сказал: "Шаровой слой тоже должен столкнуться с проблемой разрыва магнитных поверхностей плазмы, и способов ее решения почти нет, а путь инерционного удержания, я даже не знаю, сможет ли он пройти через синтез, пока отложим."
"А твои мысли?"
Лян Цюй, нахмурившись, посмотрел на Сюй Чуаня и спросил, в области управляемого термоядерного синтеза он был первым, кого называли "отцом управляемого термоядерного синтеза".
Подумав, Сюй Чуань сказал: "Я рассматриваю два аспекта."
"Какие два аспекта?"
"Первый аспект - это модификация обмоток магнитов и катушек внешнего поля стелларатора."
Сказав это, Сюй Чуань привел в порядок черновики на столе и передал их Лян Цюй: "Посмотри на это, ранее группа Western Superconducting сообщила, что производство трехмерных катушек внешнего поля и обмоток магнитов чрезвычайно сложно, и в связи с этой проблемой я объединил проблему низкой эффективности стелларатора, о которой только что говорил, и перестроил структуру катушек внешнего поля и обмоток магнитов."
Глядя на протянутые черновики, Лян Цюй с любопытством принял их.
"Стелларатор с постоянными магнитами?"
Прочитав заголовок на черновике, Лян Цюй пробормотал это и внимательно просмотрел его.
Сюй Чуань кивнул, отпил глоток чая и сказал: "Проблема стелларатора заключается в двух аспектах: во-первых, пульсация магнитного поля традиционного стелларатора больше, чем у токамака, что приводит к более высокому уровню неоклассического переноса и потерь высокоэнергетических частиц, чем у токамака."
"Во-вторых, ему нужны трехмерные катушки, структура сложная, сложность изготовления велика, а стоимость довольно высока."
"Поэтому, как снизить уровень неоклассического переноса и потерь высокоэнергетических частиц стелларатора, а также использовать простые в инженерном отношении блоки постоянных магнитов для создания необходимого трехмерного магнитного поля, является сложной задачей исследования."
Услышав это, Лян Цюй, просматривавший черновик, вставил: "Ты собираешься использовать постоянные магниты вместо оригинальных обмоток магнитов?"
Сюй Чуань кивнул и сказал: "Судя по теоретическим расчетам, с помощью оптимизации конфигурации магнитного поля стелларатора можно достичь точной квазисимметрии, что доказывает, что стелларатор теоретически может достичь уровня неоклассического переноса и потерь высокоэнергетических частиц, сравнимого с токамаком."
"И этот аспект конструкции можно реализовать путем оптимизации катушек внешнего поля и обмоток магнитов."
"Если сначала изменить обмотки магнитов, то, если блоки постоянных магнитов будут иметь одинаковый размер, форму, остаточную намагниченность и одно из ограниченного числа заданных направлений намагничивания, то на основе оригинального Wendelstein 7-X можно объединить постоянные магниты и квазисимметричную конфигурацию, перестроив новый стелларатор с постоянными магнитами, возможно, это решит эти две проблемы."
Просматривая черновик в руках и слушая объяснения Сюй Чуаня, глаза Лян Цюй прояснились.
Он продолжил вслед за Сюй Чуанем: "По сравнению с чрезвычайно сложными трехмерными витыми катушками, используемыми в нынешних стеллараторах, низкая стоимость производства и низкая инженерная сложность стандартизированных магнитных блоков, которые могут быть изготовлены серийно, и простых катушек значительно снижают инженерную сложность проектирования, строительства и обслуживания стелларатора."
"И единый размер и форма позволяют собирать блоки постоянных магнитов, что способствует контролю точности сборки."
"Великолепно!"
"Эта идея, просто потрясающе!"
В конце концов, Лян Цюй не удержался и поднял большой палец вверх, не зря его называли отцом управляемого термоядерного синтеза, его понимание в этой области превосходило обычных людей как минимум на десять лет.
Сюй Чуань улыбнулся, слегка покачал головой и сказал: "Даже если это осуществимо, это всего лишь способ решить инженерную сложность. А проблему потерь высокоэнергетических частиц, или, другими словами, проблему недостаточной энергии синтеза, вероятно, придется решать другим способом."
Лян Цюй кивнул и спросил: "А второй аспект? Должно быть, это и есть способ, который ты рассматриваешь для решения проблемы потерь высокоэнергетических частиц, или, другими словами, проблемы недостаточной энергии синтеза?"
Раз уж этот человек поднял вопрос, то он наверняка обдумывал решение.
И он только что сказал, что у него есть соображения по поводу инженерной сложности и проблемы потерь высокоэнергетических частиц, и сейчас ему было еще любопытнее, каким образом этот человек собирается решить проблему потерь высокоэнергетических частиц.
Дизайн стелларатора с постоянными магнитами, по его мнению, был действительно потрясающим.
Не очень большие изменения, которые сохранили преимущество оригинального стелларатора в отсутствии эффекта разрыва магнитной поверхности, и в то же время значительно снизили инженерную сложность, эта идея была просто великолепной.
Услышав вопрос Лян Цюй о втором аспекте, Сюй Чуань с улыбкой сказал: "Второй аспект - это смена сырья для синтеза."
"Смена сырья для синтеза?" Лян Цюй с недоумением посмотрел на него, в его глазах было некоторое непонимание.
Сюй Чуань кивнул и сказал: "Верно, смена сырья для синтеза."
Помолчав, он продолжил: "Когда мы выбираем сырье для управляемого термоядерного синтеза, мы обычно выбираем изотопы водорода, потому что электростатическое отталкивание между легкими ядрами минимально, и реакция синтеза происходит легче всего."
"Поэтому для осуществления ядерного синтеза обычно в первую очередь выбирают изотопы водорода дейтерий и тритий, именно их использует термоядерный реактор Рассвет."
"И преимущество дейтериево-тритиевого ядерного синтеза в том, что условия реакции самые мягкие, требования к температуре реакции самые низкие, но недостатки - это деградация материала, вызванная нейтронами, и то, что высокоэнергетические нейтроны уносят большую часть энергии, которую невозможно использовать, и другие проблемы."
"Хотя повторное использование нейтронов может быть использовано для достижения самообеспечения тритием, большая часть энергии, уносимой высокоэнергетическими нейтронами, тратится впустую."
"Поэтому на самом деле, хотя он и высвобождает много энергии, мы можем использовать лишь малую ее часть."
"И дейтериево-тритиевый термоядерный реактор также должен использовать материал первой стенки и периферийный защитный материал, чтобы справиться с воздействием высокоэнергетических нейтронов, что еще больше увеличивает объем термоядерного реактора."
"Поэтому на основе дейтериево-тритиевого синтеза я собираюсь сменить сырье для синтеза."
Услышав это, Лян Цюй согласно кивнул и сказал: "Это действительно недостатки дейтериево-тритиевого синтеза, но если сменить сырье для синтеза..."
Помолчав, он продолжил: "Раньше, помимо дейтериево-тритиевого синтеза, в основной области исследований управляемого термоядерного синтеза были и другие способы, такие как дейтериево-гелиевый-3 синтез, гелиево-3-гелиевый-3 синтез, дейтериево-дейтериевый синтез, водородно-борный синтез и т.д."
"По сравнению с дейтериево-тритиевым синтезом, эти способы синтеза сложнее, у каждого свои преимущества и недостатки, интересно, какой из них ты рассматриваешь?"