The prospects of fusion power

Recent advances in the performance of several experimental plasma containers have brought the fusion-power option very clo­se to the "break even" level of scientific feasibility ¹

1. The achievement of a practical fusion-power reactor would have a profound impact on almost every aspect of human society. In the past few years considerable progress has been made toward that goal. Perhaps the most revealing indication of the significan­ce of this progress is the extent to which the emphasis in recent discussions and meetings involving workers in the field has tended to shift from the question of purely scientific feasibility to a consi­deration of the technological, economic and social aspects of the power-generation problem. The purpose of this article is to exami­ne the probable effects of the recent advances on the immediate and long-term prospects of the fusion-power program, with parti­cular reference to mankind's future energy needs.

2. Nuclear fusion, the basic energy process of the stars, was first reproduced on the earth in 1932 in an experiment involving the collision of artificially accelerated deuterium nuclei. Although it was thereby shown that fusion energy could be released in this way, the use of particle accelerators to provide the nuclei with enough energy to overcome their Coulomb, or mutually repulsive, forces was never considered seriously as a practical method for po­wer generation. The reason is that the large majority of the nuclei that collide in an accelerator scatter without reacting; thus never was it possible to produce more energy than had been used to ac­celerate the nuclei in the first place.

3. The uncontrolled release of a massive amount of fusion energy was achieved in 1952 with the first thermonuclear test explosion. This test proved that fusion energy could be released on a large scale by raising the temperature of a high-density gas of charged particles (a plasma) to about 50 million degrees Celsius, thereby increasing the probability that fusion reactions will take place within the gas.

4. Coincident with the development of the hydrogen bomb, the search for a more controlled means of releasing fusion energy was begun independently in the U.S.S.R., Britain and the U.S. Essen­tially this search involves looking for a practical way to maintain a comparatively low-density plasma at a temperature high enough so that the output of fusion energy derived from the plasma is greater than the input of some other kind of energy supplied to the plasma. Since no solid material can exist at the temperature range required for a useful energy output (on the order of 100 mil­lion degrees C.) the principal emphasis from the beginning has been on the use of magnetic fields to confine the plasma.

5. The variety of magnetic "bottles" ³ designed for this purpose ■over the years can be arranged in several broad categories in or­der of increasing plasma density. First there are the basic plasma devices. These are low-density, low-temperature systems used pri­marily to study the fundamental properties of plasmas. Their con­figuration can be either linear (open) or toroidal (closed).

ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Недавние авансы в работе нескольких экспериментальных плазменных контейнеров принесли выбор термоядерной энергии очень ­близко к "ставшемуся безубыточным" уровню научной выполнимости ¹

1. Достижение практического реактора термоядерной энергии оказало бы глубокое влияние на почти каждый аспект человеческого общества. В последние несколько лет значительные успехи были сделаны к той цели. Возможно самый разоблачающий признак значения ­этого продвижения - степень, до которой акцент в недавних обсуждениях и встречах, вовлекающих рабочих в область, имел тенденцию перемещаться от вопроса просто научной выполнимости к ­рассмотрению технологических, экономических и социальных аспектов проблемы мощной генерации. Цель этой статьи состоит в том, чтобы исследовать ­вероятные эффекты недавних авансов на непосредственных и длительных перспективах программы термоядерной энергии, со ­специфической ссылкой на будущие энергетические потребности человечества.

2. Ядерный сплав, основной энергетический процесс звезд, был сначала воспроизведен на земле в 1932 в эксперименте, вовлекающем столкновение искусственно ускоренных ядер дейтерия. Хотя было таким образом показано, что энергия сплава могла быть выпущена таким образом, использование ускорителей частиц, чтобы предоставить ядрам достаточно энергии преодолеть их Кулона, или взаимно отталкивание, силы никогда не рассматривали серьезно как практический метод для ­мощной генерации. Причина - то, что значительное большинство ядер, которые сталкиваются в разбросе ускорителя без реакции; таким образом никогда не было это возможный, чтобы произвести больше энергии, чем использовался, чтобы ­ускорить ядра во-первых.

3. Безудержный выпуск массивного количества энергии сплава был достигнут в 1952 с первым термоядерным испытательным взрывом. Этот тест доказал, что энергия сплава могла быть выпущена на крупном масштабе, поднимая температуру высокоплотного газа заряженных частиц (плазма) приблизительно к 50 миллионам градусов Цельсия, таким образом увелич. вероятy, что реакции синтеза будут иметь место в пределах газа.

4. Совпадающий с развитием водородной бомбы, поиск средства, которым более управляют, выпуска энергии сплава был начат независимо в СССР, Великобритании и США. ­По существу этот поиск вовлекает поиск практического способа поддержать сравнительно имеющую малую плотность плазму в температуре достаточно высоко так, чтобы мощность энергии сплава, полученной из плазмы, была больше чем вход некоторого другого вида энергии, поставляемой плазме. Так как никакой твердый материал не может существовать в диапазоне температуры, требуемом для полезной энергетической мощности (на заказе 100 ­миллионов степеней C.), основной акцент сначала был на использ магн полей для огранич плазмы.

5. Разнообразие магнитных "бутылок" ³ разработанный с этой целью ■over годы может быть устроено в нескольких широких категориях ­в порядке увеличения плазменной плотности. Сначала есть основные плазменные устройства. Они являются имеющими малую плотность, системы низкой температуры имели обыкновение ­прежде всего изучать фундаментальные свойства plasmas. Их ­конфигурация может быть или линейна (открытый) или тороидальный (закрытый).

6. Next there are the medium-density plasma containers; these are defined as systems in which the outward pressure of the plas­ma is much less than the inward pressure of the magnetic field. A typical configuration in this density range is the linear magnetic bottle, which is usually "stoppered" at the ends by magnetic "mir­rors": regions of somewhat greater magnetic-field strength that reflect escaping particles back into the bottle. In addition extra current-carrying structures arc often used to improve the stability of the plasma. These structures were originally proposed on theo­retical grounds in 1955. They were first used successfully in an ex­perimental test in 1962 by the Soviet physicist M. S. loffe. The straight rods used by loffe in his experiment have come to be cal­led loffe bars, but such stabilizing structures can assume various other shapes.

7. Medium-density plasma containers with a toroidal geometry include the tokamaks, originally developed at the I. V. Kurchatov Institute of Atomic Energy near Moscow, and the stellarators, ori­ginally developed at the Princeton Plasma Physics Laboratory. The only essential difference between these two machines is that in a stellarator a secondary, plasma-stabilizing magnetic field is set up by external helical coils, whereas in a tokamak this field is generated by an electric current flowing through the plasma itself. The close similarity between these two designs was emphasized recently by the fact that the Princeton Model-C stellarator was ra­ther quickly converted to a tokamak system following the recent announcement by the Russians of some important new results from their Tokamak-3 machine.

8. The astron concept is another example of a medium-density plasma container. In overall geometry it shares some characteris­tics of both the linear and the toroidal designs.

9. Higher-density plasma containers, defined as those in which the plasma pressure is comparable to the magnetic-field pressure, have also been built in both the linear and the toroidal forms. In one such class of devices, called the "theta pinch" machines, the electric current is in the theta, or azimuthal, direction (around the axis) and the resulting magnetic field is in the zeta, or axial, di­rection (along the axis).

10. As the density of the plasma is increased further, one rea­ches a technological limit imposed by the inability of the materi­als used in the magnet coils to withstand the pressure of the mag netic field. Consequently very-high-density plasma systems are of­ten fast-pulsed and obtain their principal confining forces from "self-generated" magnetic fields (fields set up by electric currents in the plasma itself), from electrostatic fields or from inertial pressures.

11. Other very-high-density, fast-pulsed systems include the "strong focus" designs, in which a stream of plasma in a cylindri­cal, coaxial pipe is heated rapidly by shock waves as it is bro­ught to a sharp focus by self-generated magnetic forces, and laser designs, in which a pellet of fuel is ionized instantaneously by a pulse from a high-power laser, producing an "inertially confined" plasma. Still another confinement scheme that has been investiga­ted in this general density range includes an electrostatic device in which the plasma is confined by inertial forces generated by concentric spherical electrodes.

6. Затем есть контейнеры плазмы средней плотности; они определены как системы, в которых давление направленное наружу плазмы ­намного меньше чем внутреннее давление магнитного поля. Типичная конфигурация в этом диапазоне плотности - линейная магнитная бутылка, которая обычно "закупоривается" в концах магнитными "­зеркалами": области несколько большей силы магнитного поля, которые отражают убегающие частицы назад в бутылку. Кроме того дополнительная токопроводящая дуга структур часто имела обыкновение улучшать стабильность плазмы. Эти структуры были первоначально предложены на ­теоретических основаниях в 1955. Они сначала использовались успешно в ­экспериментальном тесте в 1962 советским физиком М. S. loffe. Прямые пруты, используемые loffe в его эксперименте, прибыли, чтобы быть ­названными loffe барами, но такие структуры стабилизации могут принять различные другие формы.

7. Контейнеры плазмы средней плотности с тороидальной геометрией включают токамаки, первоначально развитые во мне. V. Институт Kurchatov Атомной энергии около Москвы, и стеллараторов, ­первоначально развитых в Лаборатории Физики плазмы Принстона. Единственная существенная разность между этими двумя машинами - то, что в стеллараторе вторичное, стабилизирующее плазму магнитное поле настроено внешними винтовыми катушками, тогда как в токамаке эта область произведена электрическим током, текущим через плазму непосредственно. Близкое сходство между этими двумя проектами было недавно подчеркнуто фактом, что стелларатор Модели-C Принстона был ­скорее быстро преобразован к системе токамака после недавнего объявления русскими некоторых важных новых следствий их Токамака 3 машины.

8. Понятие астрона - другой пример контейнера плазмы средней плотности. В полной геометрии это разделяет некоторые особенности ­и линейного и тороидальных проектов.

9. Контейнеры плазмы более высокой плотности, определенные, поскольку, те, в которых плазменное давление сопоставимо давлению магнитного поля, были также построены и в линейном и в тороидальных формах. В одном таком классе устройств, названных "машинами" повышения теты, электрический ток находится в тете, или азимутальный, руководство (вокруг оси) и получающееся магнитное поле находится в дзэте, или осевое, ­руководство (вдоль оси).

10. Поскольку плотность плазмы увеличена далее, каждый ­достигает технологического предела, наложенного неспособностью материалов, ­используемых в катушках магнита, чтобы противостоять давлению Мэг netic область. Следовательно плазменные системы "очень высокая плотность" ­часто быстро пульсируются и получают свои основные удерживающие силы из "самопроизведенных" магнитных полей (области, настроенные электрическими токами в плазме непосредственно), от электростатических областей или от инерционных давлений.

11. Другая "очень высокая плотность", быстро пульсируемые системы включают "сильный фокус" проекты, в которых поток плазмы в цилиндрической,­ коаксиальной трубе нагрет быстро ударными волнами, поскольку это ­принесено к острому фокусу самопроизведенными магнитными силами, и лазерным проектам, в которых шарик топлива ионизирован мгновенно импульсом от мощного лазера, производя "inertially ограниченная" плазма. Все еще другая схема ограничения, которая была исследована ­в этом общем диапазоне плотности, включает электростатическое устройство, в котором плазма ограничена силами инерции, произведенными концентрическими сферическими электродами.

Дата добавления: 2015-08-03