Lockheed Martin-ի ջերմամիջուկային ռեակտոր

Lockheed Martin-ի ջերմամիջուկային կոմպակտ ռեակտոր, High beta fusion reactor, T4 նախատիպի չորրորդ սերունդ` նախագիծ , որը մշակվել է Կարլ Չեյզի (անգլ. Charles Chase) գլխավորությամբ, և մասնագիտացված է Lockheed Martin's Secret գաղտնի վերամշակման ընկերությունում։ Նախագիծը ներկայացնում է կոմպակտ տորոիդի նախագծման իրականացումը և նախատեսում է ջերմամիջուկային սինթեզման նախագծերի իրականացման ժամկետների զգալի կրճատում։ Այն առաջին անգամ ներկայացվել է Google Solve for X ֆորումում 2013 թվականի փետրվարի 7-ին^[1]։

Lockheed Martin-ի պլանն է`«մեկ տարուց պակաս ժամանակում կառուցել և փորձարկել կոմպակտ ջերմամիջուկային ռեակտոր, իսկ հինգ տարվա ընթացքում` դրա հետագա նախատիպը»^[2]:

Նախապատմություն

Ծրագիրը սկսվել է 2010 թվականին^[3]։

2014 թվականի հոկտեմբերին Lockheed Martin-ը հայտարարեց, որ կփորձեն ստեղծել 100 ՄՎտ հզորությամբ կոմպակտ ռեակտոր, որը «կարող է տեղավորվել բեռնատարի խցիկում»։ Սա բավարար է 80,000 բնակչություն ունեցող քաղաքին էլեկտրաէներգիա ապահովելու համար^[4]։

Կոմպակտ ջերմամիջուկային ռեակտորների մշակման թիմի գլխավոր դիզայներն ու տեխնիկական ղեկավարը Թոմաս Մաք-Գիրն է, ով նախկինում պաշտպանել է Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտում^[5] ֆուզորի վերաբերյալ իր թեկնածուական թեզը^[6]^[7] : Մաքգիրը ուսումնասիրել է ջերմամիջուկային միաձուլումը ասպիրանտուրայում որպես տիեզերքում շարժիչ ուժի հավանական աղբյուր՝ NASA- ի ՝ Մարս ճանապարհորդության ժամանակը կրճատելու ծրագրերին զուգահեռ^[8]^[9]^[10]։

Անվանում

Ռեակտորը կոչվում է High beta fusion reactor՝ ի պատիվ բետա գործակցի, որը որոշում է պլազմայի ճնշման և մագնիսական դաշտի ճնշման հարաբերակցությունը, $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ ^[11]:

Սինթեզ

Միջուկային սինթեզն իրականացվում է ջրածնի երկու իզոտոպների՝ դեյտերիումի և տրիտիումի ատոմներից էլեկտրոնները հեռացնելով, և ստացված ատոմային միջուկները խառնելով և ստացված պլազման փոքր տարածքում պահելով։

Դրանից հետո պլազման տաքացվում է միջուկների շարժումն արագացնելու համար։ Դա անհրաժեշտ է, քանի որ միջուկները դրական են լիցքավորված, և միջուկների շարժման մեծ արագություն է անհրաժեշտ, որպեսզի հաղթահարվի էլեկտրաստատիկ հակահարվածը և առաջանա միջուկների բախում։ Բախվող միջուկներում բավականաչափ բարձր արագությամբ տեղի է ունենում հելիումի ատոմի և բարձր էներգիայի նեյտրոնի սինթեզ, որի էներգիան հնարավոր է պահպանել՝ նեյտրոնը դանդաղեցնելով։ Այս էներգիան սառեցման փոխանցելը թույլ է տալիս այն օգտագործել էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։ Դեյտերիումի և տրիտիումի փոքր քանակությունը կարող է համեմատվել սովորական միջուկային ռեակտորի հետ, բայց առանց միջուկային թափոնների և վնասակար ճառագայթման շատ ավելի քիչ ռիսկի^[3]։

Սարքավորում

Նախագիծը նախատեսում է պլազմայի մեկուսացում` օգտագործելով մագնիսական հայելի։ Բարձր խտության մագնիսական դաշտերը արտացոլում են շարժվող մասնիկները դեպի ներս՝ ցածր մագնիսական դաշտի խտության ծավալով^[12]։

Lockheed-ը նպատակ ունի ստեղծել համեմատաբար փոքր սարք, որը սովորական ռեակտիվ շարժիչի չափ կլինի։ Ընկերությունը պնդում է, որ դա թույլ կտա նախագիծը շատ ավելի արագ իրացնել, քանի որ յուրաքանչյուր կառույց կարող է արտադրվել ավելի արագ և զգալիորեն ավելի էժան, քան լայնածավալ նախագծերում է, ինչպիսիք են Joint European Torus-ը կամ ITER-ը^[12]։

Օգտագործվում է հայելիների երկու հավաքածու։ Երկու ծայրերում գտնվող գլանաձև ռեակտորի ներսում տեղադրված են զույգ օղաձև հայելիներ։ Հայելիների մեկ այլ հավաքածու շրջապատում է ռեակտորի գլանը։ Օղակաձև մագնիսները ստեղծում են մագնիսական դաշտ, որը հայտնի է որպես դիամագնետիկական պիկա, որում մագնիսական ուժերն արագորեն փոխում են ուղղությունը և սեղմում են միջուկները երկու օղակների միջև դեպի միջին կետ։ Արտաքին մագնիսական դաշտերը միջուկները հետ են մղում դեպի նավի ծայրերը։ Այս գործընթացը հայտնի է որպես «վերաշրջանառություն»^[3] : Նկարում ներկայացված է ոչ թե Lockheed Martin-ի նախագիծը, այլ իրենից ներկայացնում է հայելու բջիջ, որում օգտագործվում է նաև հայելու էֆեկտ։ Lockheed Martin ռեակտորը օգտագործվում է գագաթային կազմաձևով։ Այս երկու ուրվագծերը (ամուր և հայելի բջիջ) անընդհատ ուսումնասիրվել են քսաներորդ դարի 50-70-ական թվականներին և մերժվել են։ Հիմնական խնդիրն այն է, որ լիցքավորված մասնիկը որևէ ուժ չի զգում, եթե թռչում է մագնիսական դաշտի երկայնքով։ Այս մասնիկները կորչում են ծուղակից անմիջապես դուրս թռչելով։ Խնդիրն ավելի է խորացնում այն փաստը, որ ի սկզբանե պահպանված մասնիկները, որոնք բախվում են միմյանց, նույնպես հայտնվում են նման իրավիճակում և կորչում են անվերադարձ։ Արդյունքում, առավել առաջադեմ տեղադրումները օգտագործում են փակ ուժային գծեր։ Դրանով պայմանավորված՝ ուժային չփակված գծերի համեմատ ջերմաստիճանը հազարավոր անգամներ ավելանում է։

Նախագծի նորամուծություններից մեկը գերհաղորդիչ մագնիսների օգտագործումն է։ Դրանք ստեղծում են ուժեղ մագնիսական դաշտեր ավելի քիչ էներգիաով, քան սովորական մագնիսները։ Դիզայնը չի նախատեսում մաքուր հոսանք, որը Lockheed- ի պնդմամբ վերացնում է պլազմայի անկայունության հիմնական աղբյուրը և բարելավում է դրանց պահումը։ Պլազմայի փոքր ծավալը նվազեցնում է սինթեզման հասնելու համար անհրաժեշտ էներգիան։ Ծրագիրը նախատեսում է փոխարինել միկրոալիքային վառելիքի արտանետումները, որոնք տաքացնում են պլազման պայմանական չեզոք մասնիկների ճառագայթներով, որոնցում էլեկտրական չեզոք դեյտերիումի ատոմները փոխանցում են իրենց էներգիան պլազմային։ Մեկնարկելուց հետո մասնիկների սինթեզումից ստացված էներգիան պահպանում է պահանջվող ջերմաստիճանը հետագա սինթեզման համար։ Այս դեպքում պլազմայի ճնշման և մագնիսական դաշտի ճնշման հարաբերակցության կարգը ավելի բարձր է, քան տոկամակներում։

Սինթեզման ռեակտորի մի քանի այլ բնութագրեր.

Մագնիսական դաշտը մեծանում է՝ հետ մղելով պլազման։
Ջերմամիջուկային ռեակտորը շատ քիչ բաց ուժային գծեր ունի։
Համակարգը ռադիոալիքների միջոցով տաքացնում է պլազման;

Նախատիպը նախատեսվում է ստեղծել նախ 1x2 մետր չափսերով, ապա կոմերցիոն նմուշներում փոքրացնել մինչև 2x2x4 մետր չափսերի։

Առաջադրանքներ, որոնք պետք է լուծվեն

Օղակաձև մագնիսները պահանջում են պաշտպանություն պլազմայի նեյտրոնային ճառագայթումից վնասվելուց։ Պլազմայի ջերմաստիճանը պետք է հասնի միլիոնավոր կելվինների։ Գերհաղորդունակությունը պահպանելու համար մագնիսները պետք է հովացվեն զրոյից մի փոքր բարձր ջերմաստիճանում^[3]։

«Բլանկետ» (ռեակտորի պատյան) բաղադրիչը ունի երկու գործառույթ. այն գրավում է նեյտրոնները և նրանց էներգիան փոխանցում է հովացմանը և առաջացնում է նեյտրոնների բախում լիթիումի ատոմների հետ՝ դրանք վերածելով տրիտիումի, որն օգտագործվում է որպես ռեակտորի վառելիք։ Բկանկետի կշիռը ռեակտորների հնարավոր կիրառման հիմնական տարրն է։ Նախագիծը ենթադրում է, որ ռեակտորի քաշը կարող է լինել 300-1000 տոննա^[3]։

Պլաններ

Ընկերությունը հույս ունի 2015 թվականին փորձարկել ռեակտորը, 2019 թվականին կառուցել գործող նախատիպ, 2024 թվականին այն համապատասխանեցնել արտադրության պատրաստի մոդելին և մինչև 2045 թվականը կկարողանա մատակարարել 44 Tera-kWh գլոբալ բեռ^[13]^[14]^[15]^[16]։

Արտոնագրեր

Lockheed-ը հայտ է ներկայացրել երեք արտոնագիր ստանալու համար։

Հնարավոր ծրագրեր

Ընկերությունն իր ռեակտորի համար մի քանի հավանական հատկանիշ է նշում.

Ինքնաթիռներ, նավեր (երկարատև աշխատանքի համար վառելիքով լիցքավորում)
Էլեկտրաէներգիայի արտադրություն առանց ածխաթթու գազի արտանետումների
Քաղաքների էլեկտրամատակարարում, ջրի աղազերծում
Տիեզերքի ուսումնասիրություն և ավելի էժան տիեզերական փոխադրում

Քննադատություն

Ֆիզիկայի պրոֆեսոր և Մեծ Բրիտանիայի ազգային լաբորատորիայի տնօրեն Սթիվեն Քաուլին (անգլ. Steven Cowley) կոչ է արել ավելի ճշգրիտ տվյալներ հավաքել՝ նշելով, որ «որքան շատ, այնքան լավ» կարգախոսը ջերմամիջուկային հետազոտությունների ժամանակակից մտածողության հիմքն է^[17].:

Տես նաև

ITER

Ծանոթագրություններ

↑ FuseNet: The European Fusion Education Network, Արխիվացված օրիգինալից 2013 թ․ մայիսի 6-ին
↑ Shalal, Andrea. «Lockheed says makes breakthrough on fusion energy project». Reuters. Վերցված է 2014 թ․ հոկտեմբերի 15-ին.
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 ^3,3 ^3,4 Nathan, Stuart (2014 թ․ հոկտեմբերի 22). «New details on compact fusion reveal scale of challenge». The Engineer. Արխիվացված է օրիգինալից 2015 թ․ հոկտեմբերի 9-ին. Վերցված է 2015-03-ին.
↑ Norris, Guy Fusion Frontier // Aviation Week & Space Technology^[en]. — 2014.
↑ Hedden, Carole (2014 թ․ հոկտեմբերի 20). «Meet The Leader Of Skunk Works' Compact Fusion Reactor Team». Aviation Week & Space Technology. Արխիվացված է օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին. Վերցված է 2014 թ․ նոյեմբերի 24-ին.
↑ Improved Lifetimes and Synchronization Behavior in Multi-grid Inertial Electrostatic Confinement Fusion Devices (PDF), MIT, 2007 թ․ փետրվար, Արխիվացված (PDF) օրիգինալից 2013 թ․ մայիսի 10-ին Արխիվացված է Մայիս 31, 2013 Wayback Machine-ի միջոցով:
↑ McGuire, Sedwick (2008 թ․ հուլիսի 21), «Numerical Predictions of Enhanced Ion Confinement in a Multi-grid IEC Device», 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit
↑ Norris, Guy (2014 թ․ հոկտեմբերի 15), «Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details», Aviation Week & Space Technology, Արխիվացված է օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 17-ին, Վերցված է 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին
↑ Norris, Guy (2014 թ․ հոկտեմբերի 14), «High Hopes – Can Compact Fusion Unlock New Power For Space And Air Transport?», Aviation Week & Space Technology, Արխիվացված օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին
↑ Hedden, Carole (2014 թ․ հոկտեմբերի 20), Meet «The Leader Of Skunk Works' Compact Fusion Reactor Team», Aviation Week & Space Technology, Արխիվացված օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին {{citation}}: Check |url= value (օգնություն)
↑ Wesson, J: «Tokamaks», 3rd edition page 115, Oxford University Press, 2004
↑ ^12,0 ^12,1 Talbot, David (2014 թ․ հոկտեմբերի 20). «Does Lockheed Martin Really Have a Breakthrough Fusion Machine?». Technology Review. Արխիվացված է օրիգինալից 2015 թ․ մարտի 19-ին. Վերցված է 2015-03-ին.
↑ Youtube: Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development (видео), Oct 15, 2014
↑ Фото: October 16, 2014, www.theage.com.au: Lockheed Skunk Works developing truck-sized fusion reactor
↑ Иллюстрации: Oct 15, 2014, aviationweek.com: Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details (անգլ.): "…The CFR will avoid these issues by tackling plasma confinement in a radically different way. Instead of constraining the plasma within tubular rings, a series of superconducting coils will generate a new magnetic-field geometry in which the plasma is held within the broader confines of the entire reaction chamber…Preliminary simulations and experimental results "have been very promising and positive, " McGuire says. «The latest is a magnetized ion confinement experiment, and preliminary measurements show the behavior looks like it is working correctly. We are starting with the plasma confinement, and that’s where we are putting most of our effort…», backup
↑ 15 October 2014, theguardian.com: Lockheed announces breakthrough on nuclear fusion energy (անգլ.): «…Lockheed Martin Corp said on Wednesday it had made a technological breakthrough in developing a power source based on nuclear fusion, and the first reactors, small enough to fit on the back of a truck, could be ready for use in a decade…Ultra-dense deuterium, an isotope of hydrogen, is found in the earth’s oceans, and tritium is made from natural lithium deposits. It said future reactors could use a different fuel and eliminate radioactive waste completely…Lockheed said it had shown it could complete a design, build and test it in as little as a year, which should produce an operational reactor in 10 years, McGuire said…»
↑ McGarry, Brendan (2014 թ․ հոկտեմբերի 16), «Scientists Skeptical of Lockheed's Fusion Breakthrough», DefenseTech', Վերցված է 2014 թ․ հոկտեմբերի 23-ին

[1] FuseNet: The European Fusion Education Network, Արխիվացված օրիգինալից 2013 թ․ մայիսի 6-ին

[2] Shalal, Andrea. «Lockheed says makes breakthrough on fusion energy project». Reuters. Վերցված է 2014 թ․ հոկտեմբերի 15-ին.

[:1-3] 3,0 ^3,1 ^3,2 ^3,3 ^3,4 Nathan, Stuart (2014 թ․ հոկտեմբերի 22). «New details on compact fusion reveal scale of challenge». The Engineer. Արխիվացված է օրիգինալից 2015 թ․ հոկտեմբերի 9-ին. Վերցված է 2015-03-ին.

[4] Norris, Guy Fusion Frontier // Aviation Week & Space Technology^[en]. — 2014.

[aw20141020-5] Hedden, Carole (2014 թ․ հոկտեմբերի 20). «Meet The Leader Of Skunk Works' Compact Fusion Reactor Team». Aviation Week & Space Technology. Արխիվացված է օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին. Վերցված է 2014 թ․ նոյեմբերի 24-ին.

[6] Improved Lifetimes and Synchronization Behavior in Multi-grid Inertial Electrostatic Confinement Fusion Devices (PDF), MIT, 2007 թ․ փետրվար, Արխիվացված (PDF) օրիգինալից 2013 թ․ մայիսի 10-ին Արխիվացված է Մայիս 31, 2013 Wayback Machine-ի միջոցով:

[7] McGuire, Sedwick (2008 թ․ հուլիսի 21), «Numerical Predictions of Enhanced Ion Confinement in a Multi-grid IEC Device», 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit

[guyReac-8] Norris, Guy (2014 թ․ հոկտեմբերի 15), «Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details», Aviation Week & Space Technology, Արխիվացված է օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 17-ին, Վերցված է 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին

[guyHope-9] Norris, Guy (2014 թ․ հոկտեմբերի 14), «High Hopes – Can Compact Fusion Unlock New Power For Space And Air Transport?», Aviation Week & Space Technology, Արխիվացված օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին

[hedLead-10] Hedden, Carole (2014 թ․ հոկտեմբերի 20), Meet «The Leader Of Skunk Works' Compact Fusion Reactor Team», Aviation Week & Space Technology, Արխիվացված օրիգինալից 2014 թ․ հոկտեմբերի 18-ին {{citation}}: Check |url= value (օգնություն)

[11] Wesson, J: «Tokamaks», 3rd edition page 115, Oxford University Press, 2004

[:0-12] 12,0 ^12,1 Talbot, David (2014 թ․ հոկտեմբերի 20). «Does Lockheed Martin Really Have a Breakthrough Fusion Machine?». Technology Review. Արխիվացված է օրիգինալից 2015 թ․ մարտի 19-ին. Վերցված է 2015-03-ին.

[13] Youtube: Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development (видео), Oct 15, 2014

[14] Фото: October 16, 2014, www.theage.com.au: Lockheed Skunk Works developing truck-sized fusion reactor

[15] Иллюстрации: Oct 15, 2014, aviationweek.com: Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details (անգլ.): "…The CFR will avoid these issues by tackling plasma confinement in a radically different way. Instead of constraining the plasma within tubular rings, a series of superconducting coils will generate a new magnetic-field geometry in which the plasma is held within the broader confines of the entire reaction chamber…Preliminary simulations and experimental results "have been very promising and positive, " McGuire says. «The latest is a magnetized ion confinement experiment, and preliminary measurements show the behavior looks like it is working correctly. We are starting with the plasma confinement, and that’s where we are putting most of our effort…», backup

[16] 15 October 2014, theguardian.com: Lockheed announces breakthrough on nuclear fusion energy (անգլ.): «…Lockheed Martin Corp said on Wednesday it had made a technological breakthrough in developing a power source based on nuclear fusion, and the first reactors, small enough to fit on the back of a truck, could be ready for use in a decade…Ultra-dense deuterium, an isotope of hydrogen, is found in the earth’s oceans, and tritium is made from natural lithium deposits. It said future reactors could use a different fuel and eliminate radioactive waste completely…Lockheed said it had shown it could complete a design, build and test it in as little as a year, which should produce an operational reactor in 10 years, McGuire said…»

[cowl-17] McGarry, Brendan (2014 թ․ հոկտեմբերի 16), «Scientists Skeptical of Lockheed's Fusion Breakthrough», DefenseTech', Վերցված է 2014 թ․ հոկտեմբերի 23-ին

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]