Fattore di guadagno di energia di fusione: cos’è, rapporto

Un fattore di guadagno di energia di fusione, solitamente espresso con il simbolo Q, è il rapporto tra la potenza di fusione prodotta in un reattore a fusione nucleare e la potenza richiesta per mantenere il plasma in stato stazionario. La condizione di Q = 1, quando la potenza rilasciata dalle reazioni di fusione è uguale alla potenza di riscaldamento richiesta, è indicata come pareggio o, in alcune fonti, pareggio scientifico.

L’esplosione della bomba all’idrogeno di Ivy Mike . La bomba all’idrogeno è l’unico dispositivo attualmente in grado di raggiungere un fattore di guadagno di energia di fusione si idealmente maggiore di 1.

L’energia emessa dalle reazioni di fusione può essere catturata all’interno del combustibile, portando all’autoriscaldamento . La maggior parte delle reazioni di fusione rilasciano almeno parte della loro energia in una forma che non può essere catturata all’interno del plasma, quindi un sistema a Q = 1 si raffredderà senza riscaldamento esterno. Con i combustibili tipici, l’autoriscaldamento nei reattori a fusione non dovrebbere alle fonti esterne almeno fino a quando Q ≈ 5. Se Q aumenta oltre questo punto, l’aumento dell’autoriscaldamento alla fine elimina la necessità di riscaldamento esterno. A questo punto la reazione diventa autosufficiente, una condizione chiamatacombustione , ed è generalmente considerata altamente desiderabile per progetti pratici di reattori. Accensionecorrisponde a Q infinito , nel qual caso non è richiesto alcun input di energia per avviare reazioni di fusione autosufficienti nel plasma.

Nel tempo, diversi termini correlati sono entrati nel lessico della fusione. L’energia che non viene catturata all’interno del combustibile può essere catturata esternamente per produrre elettricità. Quell’elettricità può essere utilizzata per riscaldare il plasma a temperatura operativa. Un sistema che è autoalimentato in questo modo viene definito funzionante a pareggio tecnico . Operando al di sopra del pareggio ingegneristico, una macchina produbbe più elettricità di quella che utilizza e potrebbe vendere quell’eccesso. Uno che vende abbastanza elettricità per coprire i propri costi operativi è talvolta noto come pareggio economico .Inoltre, i combustibili di fusione, in particolare il trizio , sono molto costosi, quindi molti esperimenti vengono eseguiti su vari gas di prova come l’idrogeno o il deuterio . Un reattore funzionante con questi combustibili che raggiunga le condizioni di pareggio, se fosse introdotto il trizio, funzionerebbe in pareggio, e questa soglia teorica è indicata come pareggio estrapolato .

A partire dal 2021 , il record per Q è detenuto dalla National Ignition Facility negli Stati Uniti, a Q = (1,35 MW)/(1,9 MW) ≈ 0,70, raggiunto per la prima volta nell’agosto 2021. Il record più alto per il pareggio estrapolato è stato pubblicato dal dispositivo JT-60 , con ext = 1.25, leggermente migliore del precedente 1.14 di JET. ITER è stato originariamente progettato per raggiungere l’accensione, ma attualmente è progettato per raggiungere Q = 10, producendo 500 MW di potenza di fusione da 50 MW di potenza termica iniettata.

Concetto

Q è semplicemente il confronto tra la potenza rilasciata dalle reazioni di fusione in un reattore, fus , con la potenza di riscaldamento costante fornita, heat , in condizioni operative normali. Per quei progetti che non funzionano in regime stazionario, ma sono invece pulsati, lo stesso calcolo può essere effettuato sommando tutta l’energia di fusione prodotta in Pfus e tutta l’energia spesa per produrre l’ impulso in Pcalore . Tuttavia, esistono diverse definizioni di pareggio che considerano ulteriori perdite di potenza.

Pareggiare

Nel 1955, John Lawson fu il primo a esplorare in dettaglio i meccanismi di bilancio energetico, inizialmente in opere classificate ma pubblicate apertamente in un ormai famoso articolo del 1957. In questo documento ha considerato e perfezionato il lavoro di ricercatori precedenti, in particolare Hans Thirring , Peter Thonemann e un articolo di revisione di Richard Post . Espandendosi su tutti questi elementi, l’articolo di Lawson ha fatto previsioni dettagliate sulla quantità di energia che sarebbe andata persa attraverso vari meccanismi e l’ha confrontata con l’energia necessaria per sostenere la reazione. Questo equilibrio è oggi noto come criterio di Lawson .

In un progetto riuscito di reattore a fusione, le reazioni di fusione generano una quantità di potenza denominata fus . Una parte di questa energia, la perdita P , viene persa attraverso una varietà di meccanismi, principalmente la convezione del combustibile alle pareti della camera del reattore e varie forme di radiazione che non possono essere catturate per generare energia. Per mantenere la reazione in corso, il sistema deve fornire riscaldamento per compensare queste perdite, dove perdita = calore per mantenere l’equilibrio termico.

La definizione più elementare di pareggio è quando Q = 1, cioè fus = heat .

Alcuni lavori si riferiscono a questa definizione come pareggio scientifico , per contrapporla a termini simili. Tuttavia, questo uso è raro al di fuori di certe aree, in particolare il campo di fusione a confinamento inerziale , dove il termine è molto più diffuso. I dispositivi inerziali e molti concetti simili non tentano di mantenere l’equilibrio ma semplicemente catturano l’energia prodotta. In questo caso, il calore P considera tutta l’energia necessaria per produrre la reazione, sia che si tratti di riscaldamento diretto o altri sistemi come il laser o la compressione magnetica.

Breakeven estrapolato

Dagli anni ’50, la maggior parte dei progetti di reattori a fusione commerciali si sono basati su una miscela di deuterio e trizio come combustibile principale; altri combustibili hanno caratteristiche interessanti ma sono molto più difficili da accendere. Poiché il trizio è radioattivo, altamente bioattivo e altamente mobile, rappresenta un notevole problema di sicurezza e si aggiunge al costo di progettazione e funzionamento di un tale reattore.

Per ridurre i costi, molte macchine sperimentali sono progettate per funzionare solo con combustibili di prova di idrogeno o deuterio, tralasciando il trizio. In questo caso, il termine pareggio estrapolato viene utilizzato per definire le prestazioni attese della macchina alimentata con carburante DT in base alle prestazioni quando funziona solo con idrogeno o deuterio.

I record per il pareggio estrapolato sono leggermente superiori ai record per il pareggio scientifico. Sia JET che JT-60 hanno raggiunto valori intorno a 1,25 (vedi sotto per i dettagli) durante il funzionamento con carburante DD. Quando si esegue su DT, possibile solo in JET, le prestazioni massime sono circa la metà del valore estrapolato.

Pareggio ingegneristico

Un altro termine correlato, breakeven ingegneristico , considera la necessità di estrarre l’energia dal reattore, trasformarla in energia elettrica e reimmetterne una parte nel sistema di riscaldamento. Questo circuito chiuso che rimanda l’elettricità dalla fusione al sistema di riscaldamento è noto come ricircolo . In questo caso, la definizione di base cambia aggiungendo ulteriori termini al lato fus per considerare le efficienze di questi processi.

Le reazioni DT rilasciano la maggior parte della loro energia come neutroni e una quantità minore come particelle cariche come le particelle alfa . I neutroni sono elettricamente neutri e usciranno da qualsiasi progetto di fusione a confinamento magnetico (MFE) e, nonostante le densità molto elevate riscontrate nei progetti di fusione a confinamento inerziale (ICF), tendono a sfuggire facilmente alla massa di combustibile anche in questi progetti. Ciò significa che solo le particelle cariche delle reazioni possono essere catturate all’interno della massa di combustibile e dare origine all’autoriscaldamento. Se la frazione dell’energia rilasciata nelle particelle cariche è ch , allora la potenza in queste particelle è ch = chFus . Se questo processo di autoriscaldamento è perfetto, cioè tutto ch viene catturato nel combustibile, significa che la potenza disponibile per generare elettricità è la potenza che non viene rilasciata in quella forma, ovvero (1 −  ch ) fus .

Nel caso di neutroni che trasportano la maggior parte dell’energia pratica, come nel caso del combustibile DT, questa energia di neutroni viene normalmente catturata in una ” coperta ” di litio che produce più trizio che viene utilizzato per alimentare il reattore. A causa di varie reazioni esotermiche ed endotermiche , la coperta può avere un fattore di guadagno di potenza M <sub> R </sub> . M R è tipicamente dell’ordine di 1,1 a 1,3, il che significa che produce anche una piccola quantità di energia. Il risultato netto, la quantità totale di energia rilasciata nell’ambiente e quindi disponibile per la produzione di energia, è indicato come R , la potenza netta prodotta dal reattore.

Il mantello viene quindi raffreddato e il fluido di raffreddamento utilizzato in uno scambiatore di calore che aziona turbine a vapore e generatori convenzionali . L’elettricità viene quindi reimmessa nel sistema di riscaldamento. Ognuno di questi passaggi nella catena di generazione ha un’efficienza da considerare. Nel caso dei sistemi di riscaldamento al plasma,{\displaystyle \eta _{calore}}è dell’ordine del 60-70%, mentre i moderni sistemi di generazione basati sul ciclo Rankine lo hanno{\displaystyle \eta _{elec}}intorno al 35-40%. Combinando questi otteniamo un’efficienza netta del ciclo di conversione di potenza nel suo complesso,{\displaystyle \eta _{NPC}}, da circa 0,20 a 0,25. Cioè, circa dal 20 al 25% di{\displaystyle P_{R}}può essere riciclato.

Pertanto, il fattore di guadagno di energia di fusione richiesto per raggiungere il pareggio ingegneristico è definito come:

{\displaystyle Q_{E}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{calore}}}}={\frac {1}{\eta _{\text{calore} }\cdot f_{\text{recirc}}\cdot \eta _{\text{elec}}\cdot (1-f_{\text{ch}})}}}

 

Per capire come{\displaystyle Q_{E}}si usa, si consideri un reattore funzionante a 20 MW e Q = 2. Q = 2 a 20 MW implica che calore è 10 MW. Di quei 20 MW originali circa il 20% è alfa, quindi supponendo una cattura completa, 4 MW di calore P sono autoforniti. Abbiamo bisogno di un totale di 10 MW di riscaldamento e ne otteniamo 4 tramite alfa, quindi abbiamo bisogno di altri 6 MW di potenza. Degli originari 20 MW di produzione, 4 MW sono rimasti nel combustibile, quindi abbiamo 16 MW di produzione netta. Usando R di 1,15 per la coperta, otteniamo PR circa 18,4 MW. Assumendo un bene{\displaystyle \eta _{NPC}}di 0,25, che richiede 24 MW R , quindi un reattore a Q = 2 non può raggiungere il pareggio ingegneristico. A Q = 4 occorrono 5 MW di riscaldamento, di cui 4 provenienti dalla fusione, lasciando 1 MW di potenza esterna necessaria, facilmente generabile dai 18,4 MW di potenza netta. Quindi per questo progetto teorico il E è compreso tra 2 e 4.

Considerando le perdite e le efficienze del mondo reale, i valori Q compresi tra 5 e 8 sono generalmente elencati per i dispositivi di confinamento magnetico, mentre i dispositivi inerziali hanno valori notevolmente inferiori per{\displaystyle \eta _{\text{calore}}}e quindi richiedono valori di QE molto più elevati , dell’ordine di 50 a 100.

Accensione

All’aumentare della temperatura del plasma, la velocità delle reazioni di fusione cresce rapidamente e, con essa, la velocità dell’autoriscaldamento. Al contrario, le perdite di energia non catturabili come i raggi X non crescono allo stesso ritmo. Quindi, in termini generali, il processo di autoriscaldamento diventa più efficiente all’aumentare della temperatura e serve meno energia da fonti esterne per mantenerlo caldo.

Alla fine il calore P raggiunge lo zero, cioè tutta l’energia necessaria per mantenere il plasma alla temperatura operativa viene fornita dall’autoriscaldamento e la quantità di energia esterna che deve essere aggiunta scende a zero. Questo punto è noto come accensione . Nel caso del carburante DT, in cui solo il 20% dell’energia viene rilasciato come alfa che dà origine all’autoriscaldamento, ciò non può avvenire finché il plasma non rilascia almeno cinque volte la potenza necessaria per mantenerlo alla sua temperatura di lavoro.

L’accensione, per definizione, corrisponde a un Q infinito , ma ciò non significa che recirc scenda a zero poiché gli altri dissipatori di potenza nel sistema, come i magneti e i sistemi di raffreddamento, devono ancora essere alimentati. Generalmente, tuttavia, questi sono molto più piccoli dell’energia nei riscaldatori e richiedono un ricirc molto minore . Ancora più importante, è più probabile che questo numero sia quasi costante, il che significa che ulteriori miglioramenti nelle prestazioni del plasma si tradurranno in più energia che può essere utilizzata direttamente per la generazione commerciale, rispetto al ricircolo.

Parità commerciale

La definizione finale di pareggio è il pareggio commerciale , che si verifica quando il valore economico dell’elettricità netta residua dopo il ricircolo è sufficiente per pagare il reattore. Questo valore dipende sia dal costo del capitale del reattore che da eventuali costi di finanziamento ad esso correlati, dai suoi costi operativi inclusi carburante e manutenzione e dal prezzo spot dell’energia elettrica.

Il pareggio commerciale si basa su fattori al di fuori della tecnologia del reattore stesso, ed è possibile che anche un reattore con un plasma completamente acceso che funzioni ben oltre il pareggio ingegneristico non generi abbastanza elettricità abbastanza rapidamente da ripagarsi. Sul campo si sta discutendo se uno qualsiasi dei concetti principali come ITER possa raggiungere questo obiettivo.

Esempio pratico

La maggior parte dei progetti di reattori a fusione studiati a partire dal 2017 si basano sulla reazione DT, poiché questa è di gran lunga la più facile da accendere ed è densa di energia. Tuttavia, questa reazione emette anche la maggior parte della sua energia sotto forma di un singolo neutrone altamente energetico e solo il 20% dell’energia sotto forma di un alfa. Quindi, per la reazione DT, ch = 0,2. Ciò significa che l’autoriscaldamento non diventa uguale al riscaldamento esterno fino a quando almeno Q = 5.

I valori di efficienza dipendono dai dettagli di progettazione, ma possono essere compresi tra η heat = 0,7 (70%) e η elec = 0,4 (40%). Lo scopo di un reattore a fusione è produrre energia, non ricircolarla, quindi un reattore pratico deve avere recirc = 0,2 circa. Più basso sarebbe meglio ma sarà difficile da raggiungere. Usando questi valori troviamo per un reattore pratico Q = 22.

Considerando ITER, abbiamo un progetto che produce 500 MW di energia per 50 MW di fornitura. Se il 20% della potenza è autoriscaldante significa 400 MW di fuga. Assumendo lo stesso η heat = 0,7 e η elec = 0,4, ITER (in teoria) potrebbe produrre fino a 112 MW di riscaldamento. Ciò significa che ITER opererebbe in pareggio ingegneristico. Tuttavia, ITER non è dotato di sistemi di estrazione di energia, quindi questo rimane teorico fino a macchine successive come DEMO .

Transitorio vs. continuo

Molti dei primi dispositivi di fusione funzionavano per microsecondi, utilizzando una sorta di fonte di energia pulsata per alimentare il loro sistema di confinamento magnetico mentre utilizzavano la compressione dal confinamento come fonte di riscaldamento. Lawson ha definito il pareggio in questo contesto come l’energia totale rilasciata dall’intero ciclo di reazione rispetto all’energia totale fornita alla macchina durante lo stesso ciclo.

Nel corso del tempo, con l’aumento delle prestazioni di ordini di grandezza, i tempi di reazione si sono estesi da microsecondi a secondi e, in ITER , nell’ordine di minuti. In questo caso la definizione di “l’intero ciclo di reazione” diventa offuscata. Nel caso di un plasma acceso, ad esempio, il calore P può essere piuttosto elevato mentre il sistema viene allestito, e poi scendere a zero quando è completamente sviluppato, quindi si potrebbe essere tentati di scegliere un istante nel tempo in cui è operando al meglio per determinare un Q elevato, o infinito . Una soluzione migliore in questi casi è utilizzare la definizione originale di Lawson mediata sulla reazione per produrre un valore simile alla definizione originale.

C’è un’ulteriore complicazione. Durante la fase di riscaldamento in cui il sistema viene portato in condizioni operative, parte dell’energia liberata dalle reazioni di fusione verrà utilizzata per riscaldare il combustibile circostante, e quindi non sarà rilasciata nell’ambiente. Questo non è più vero quando il plasma raggiunge la sua temperatura operativa ed entra in equilibrio termico. Pertanto, se si calcola la media sull’intero ciclo, questa energia sarà inclusa come parte del periodo di riscaldamento, ovvero parte dell’energia che è stata catturata per il riscaldamento sarebbe stata altrimenti rilasciata in P fus e pertanto non è indicativa di un funzionamento D. _

Gli operatori del reattore JET hanno sostenuto che questo input dovrebbe essere rimosso dal totale:

{\displaystyle Q^{*}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{calore}}-P_{\text{temp}}}}}

colomba:

{\displaystyle P_{\text{temp}}={\frac {dWp}{dt}}}

 

Cioè, temp è la potenza applicata per aumentare l’energia interna del plasma. È questa definizione che è stata utilizzata per riportare il valore record di 0,67 di JET.

Alcuni dibattiti su questa definizione continuano. Nel 1998, gli operatori del JT-60 affermarono di aver raggiunto Q = 1,25 funzionando con carburante DD, raggiungendo così il pareggio estrapolato. Questa misurazione era basata sulla definizione JET di Q*. Utilizzando questa definizione, JET aveva anche raggiunto il pareggio estrapolato qualche tempo prima. Se si considera il bilancio energetico in queste condizioni e l’analisi delle macchine precedenti, si sostiene che dovrebbe essere utilizzata la definizione originale, e quindi entrambe le macchine rimangono ben al di sotto del punto di pareggio di qualsiasi tipo.

Pareggio scientifico al NIF

Sebbene la maggior parte degli esperimenti di fusione utilizzi una qualche forma di confinamento magnetico, un altro ramo importante è la fusione a confinamento inerziale (ICF) che preme meccanicamente insieme la massa di combustibile (il “bersaglio”) per aumentarne la densità. Ciò aumenta notevolmente la velocità degli eventi di fusione e riduce la necessità di confinare il combustibile per lunghi periodi. Questa compressione si ottiene riscaldando una capsula leggera che contiene il carburante utilizzando una qualche forma di “driver”. Ci sono una varietà di driver proposti, ma fino ad oggi la maggior parte degli esperimenti ha utilizzato i laser .

Usando la definizione tradizionale di Q , fus / calore , i dispositivi ICF hanno un Q estremamente basso . Questo perché il laser è estremamente inefficiente; invece{\displaystyle \eta _{calore}}poiché i riscaldatori utilizzati nei sistemi magnetici potrebbero essere dell’ordine del 70%, i laser sono dell’ordine dell’1%.

Per questo motivo, il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), leader nella ricerca ICF, ha proposto un’altra modifica di Q che definisce calore come l’energia fornita dal guidatore alla capsula, in contrapposizione all’energia immessa nel guidatore da un fonte di alimentazione esterna. Cioè, propongono di rimuovere l’inefficienza del laser dalla considerazione del guadagno. Questa definizione produce valori Q molto più alti e cambia la definizione di pareggio in fus / laser = 1. A volte, si riferivano a questa definizione come “pareggio scientifico”. Questo termine non era universalmente utilizzato; altri gruppi adottarono la ridefinizione di Qma ha continuato a riferirsi a fus = laser semplicemente come pareggio.

Il 7 ottobre 2013, LLNL ha annunciato di aver raggiunto il pareggio scientifico presso il National Ignition Facility (NIF) il 29 settembre. In questo esperimento, fus era di circa 14 kJ, mentre l’uscita del laser era di 1,8 MJ. Secondo la loro definizione precedente, questo sarebbe un Q di 0,0077. Per questo comunicato stampa, hanno ridefinito ancora una volta Q , questa volta equiparando a calore solo la quantità di energia fornita alla “porzione più calda del combustibile”, calcolando che solo 10 kJ dell’energia laser originaria hanno raggiunto la parte del combustibile che stava subendo reazioni di fusione. Questa versione è stata pesantemente criticata sul campo.

Il 17 agosto 2021, il NIF ha annunciato che all’inizio di agosto 2021 un esperimento aveva raggiunto un valore Q di 0,7, producendo 1,35 MJ di energia da una capsula di carburante concentrando 1,9 MJ di energia laser sulla capsula. Il risultato è stato un aumento di otto volte rispetto a qualsiasi precedente produzione di energia.


https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_energy_gain_factor

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