Перспективы человечества с термоядом

[Kaiserfrogling]

Кстати, Алекс перепутал "энергетическая эффективность горения " и "энергетическая эффективность установки".
Дело в том, что удержание плазмы и охлаждению рабочей зоны и магнитов отнюдь небесплатно.
И если Д-Д реакция идет с положительным энерговыходом, но низким сечением (как вывод низкой плотностью реакции на см) - реактор может оказаться энергетически убыточным   

[ВадимZero]

реактор может оказаться энергетически убыточным 

Экономически, наверное? С экономикой у термояда действительно все плохо. С АЭС они конкурировать не когда не смогут.

[Kaiserfrogling]

реактор может оказаться энергетически убыточным

Экономически, наверное? С экономикой у термояда действительно все плохо. С АЭС они конкурировать не когда не смогут.

С 50 кэВ Д-Д как предлагает Алекс, он будет именно энергетически убыточным.
Д-Т реакция на пике имеет около 5000 миллибарн, для окупаемости реактора на Д-Д 100 миллибарн это минимум.
Иначе, как говорят французы "игра не стоит свеч"

[Kaiserfrogling]

А если его кВт/час окажется дороже обычных источников, то его вообще не будет.

Давай посчитаем.
Китайская ГЭС Три Реки дает 22,5 ГВт  на $26 млрд.
ИТЕР будет давать 300 МВТ, потом на его базе построят электростанцию на 4 ГВТ.
Если использовать нейтроны для дожигания MOX-отходов с АЭС - мощность увеличится до 10-14 ГВТ.
В принципе выходит вполне прилично

[Кремальера]

-перфорен (опреснитель на основе графена, который снизит потребление энергии при опреснении в 20-50 раз

Есть менее изощреные способы опреснения.Да и зачем вам столько пресной водицы?
Что же до рабочего термояда,то многое будет зависеть от того как быстро он будет внедрятся.Если как электричество  в САСШ и Викторианской Англии,то да,будет интересно.Бетонные махины ГЭС останутся хорошим памятником потомкам,также как и гигантские газгольдеры в Европе достались нам.

[Kaiserfrogling]

Кстати, на поливеллблоге есть развернутый ответ Чемберлену Райдеру:

(кликните для показа/скрытия)

The Pitch: How could this idea fail?   

    “It doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you are. If it doesn't agree with experiment, it's wrong”. - Richard Feynman

      Any pitch will also contain arguments for and against this reactor working. As far as we know, the main arguments against this working come from Riders’ PhD thesis, his 2005 APS presentation 1995 publication and Bill Nevins’ paper in 1995. This blog has analized and explained of Riders’ publication before. It would be nice to review Bill Nevins’ work as well as Riders’ full thesis. Briefly, here is a summary of Rider’s publication. The reader is encouraged to read “Explaining the counter argument – Part II” for a more detailed explanation of the terminology and concepts.

       Rider assumes the cloud to be quasineutral - meaning that in a local volume there is no net charge. We point out that by definition, the polywell will need more electrons than ions to work, which threatens the quasineutral assumption. Rider would counter by arguing that concentrating charge creates a voltage drop – causing the plasma to swirl around till the charge equilibrates. This would be a plasma instability – a topic we still need to address. We counter by asking the question: what if the polywell ran electron rich, say a ratio of 3:1? Would there be so few ions that the cloud would not be considered quasineutral? Rider assumed the cloud has three parts to it: a core, a mantle and an edge. He assumes that these three parts will remain roughly constant; a best-case-scenario. He argues that this is a weak assumption, because ions will disperse the core. We counter by raising the possibility that the electron cloud has its own magnetic field - an internal resistance to the applied fields. This internal field could pinch off the loss points, deepening the well and improving the machines ability to capture electrons. This may be very good news. Better electron capture would mean a deeper voltage drop, holding the ions more tightly together. This may make it harder for the ions to disperse the core. It also means the ions could be injected with a higher starting energy – improving the odds of fusion.

       In his paper, Rider walks through the following calculations. The first he finds is the fusion rate. He assumes the cloud is quasineutral – an assumption we question above. The expression he found is derived from a general fusion equation – not derived from polywell data. This is shown below for just fusing deuterium, at a uniform density (A). Rider uses this expression to calculate the time to fusion – shown here (B) for just deuterium. Now Rider wants an equation for energy transfer inside the ion cloud. For this, he argues each cloud has a bell curve of energies. Because of this assumption he uses a standard formula, shown in (C) for deuterium only. Imagine we have a cold cloud, which is heating up by energy transfer from the hot cloud, and by fusion reactions. Rider considers the case where all the hot fused ions are replaced by cold ions – and this rate is shown in (D). We would like to point out there are many other heat flows inside the machine, though it makes sense here for Rider to limit himself to focus just on the ions. Rider sets equation (C) equal to equation (D) and integrates over the volume. From this integration he reasons the ion cloud cannot have more than a 5% variation in temperature. This calculation needs polywell data to back it up.

Rider examines a more board case of keeping the ions at two different temperatures. He assumes the ions can be artificially held at two different temperatures and, he wants to see how difficult this is. If you assume the temperatures are very different you can find the average relative velocity on an ion - shown in equation (E). This is an expression from statistics. If this is the case then, rider states all the energy transferred inside the ion cloud will be via collisions. In reality energy transfer could happen several ways: electrons, x-rays and fusion products could transfer energy around the reactor - but they are not considered in this section of Riders’ paper. If collisions alone transfer energy, then this could be adjusted by changing the mean free path. Indeed, the equation Rider uses includes the columbic logarithm, a tool used to find the mean free path in plasma. Rider divides by the fusion rate, and gets equation (F). Rider applies this equation to the P B-11 fusion reaction, and calculates that cooling needs to happen 1.4 times more than the fusion rate to artificially maintain the ions at two different temperatures.

[Kaiserfrogling]

Часть 2

(кликните для показа/скрытия)

Next Rider tries to find how fast the ion cloud will go to a bell curve of energies. The time to thermalize is some multiple of the ion-ion collision time. So he needs to find that first. Imagine a test ion. It gets injected into the polywell, towards a mass of ions and electrons in the center. First, let us ignore electron-ion interactions. An electron is about 1,836 thousand times less massive then an ion. When electrons and ions do hit, they can create x-rays. This is a big problem and, Rider will address it later. Rider assumes that the test ion would spend only a short amount of time in the core. This is a valid assumption for Rider, because for his model, the core is ~0.0001% of the total cloud of ions. One argument against this is: if the potential well could better contain the cloud the core should be a larger percentage of the cloud. The core should be denser while the overall cloud would be smaller. But in Riders’ model the ion collision time is given as equation (G). Rider then compares this time to the fusion time and comes up with equation (H). He applies some typical numbers and finds that ion collisions happen 1000 to 100 times faster than the fusion rate. According to these equations a denser cloud - created by the Whiffleball – alone, would not necessarily help. A denser cloud increases the rate of collisions leading to faster thermalization and the rate of fusion, together at the same time. But, it is unclear if these are even the right equations to use – data should clear this up.

Rider wants to compare the time it takes for the ions to escape the well. This happens through upscattering. There are four cases to consider: the reactor can fuse “big” or “small” ions and the cloud can contain “high” or “low” angular momentum. Ideally, we want to fuse “small” ions - like deuterium – with a plasma cloud with a low angular momentum. To classically estimate this clouds’ angular momentum, we would first find the clouds’ center of mass. We then find how far away each particle is from the center, and what direction and speed it is going, multiply and add all these together. The key point here is: if the cloud is tighter, the angular momentum should be lower. Ideally, we want these electrons moving at a low velocity in a tightly contained magnetic field.

      Rider uses equation (I) as his ion loss rate equation. We are not comfortable with the equation he uses. We insist: we should just build the polywell and measure the loss rate. The loss rate equation has a long history. We spent two weeks researching the origins of this equation. We looked at papers by: Pastukhov (’74), PJ Catto (’84), BenDaniels (’61), and TMX papers from the early 80’s. We focused on the ion loss equations, only. Each theory paper made assumptions about: the well shape, the particle behavior, elastic collisions, the charge on ions, the characteristic collision time and length, the characteristic length of the field, ect… The data papers primarily come from the big magnetic mirror experiments of the early 80’s. With so many variables changing for the polywell, many which also change with time, it is hard to tell if these relations actually apply to the Polywell. That said – the losses from magnetic confinement have been well studied, so perhaps an expert can weigh in here. We should use simple math to forecast. But, forget theory. Build it. Measure the losses.

Rider goes on to look at x-ray radiation, electron drag and ion injection along with other issues. Readers are encouraged to look at his original papers as well as Nevins work. You can check out “Explaining the counter argument – Part II” for a continued description of what Riders' arguments mean. Any pitch would absolutely need a full summary of these papers and a discussion about what they mean.

[ВадимZero]

С 50 кэВ Д-Д как предлагает Алекс, он будет именно энергетически убыточным.

Скорей всего так и будет.

[AlexAV]

Может там дело не в электронной температуре(она не превышает величину термализации ионов), а в том что размен импульсами между мэвными протонами и альфа-частицами идет хуже чем, между относительно холодными детонами и горячими альфа-частицами?

Релаксация альфа-частиц, ядра отдачи с немаксвелловскими хвостами распределений и т.д. - факторы второго порядка здесь. Всё же рассматриваемом диапазоне энергий кулоновские сечения всё ещё существенно выше сечений термоядерных реакций, релаксация неравновесных функций распределения идёт достаточно быстро.

Здесь другое. Термоядерная мощность зависит строго говоря не напрямую от сечений, а от констант скоростей реакций (они пропорциональны <\sigma v>), это вещи связанные но не тождественные. При подсчёте константы скоростей идёт усреднение по функциям распределений частиц и в результате увеличение скорости реакции для резонансных реакций (B-11-p - типичный представитель с двумя резонансами - 162 кэВ (узкий шириной 5 кэВ) и 675 кэВ (широкий, шириной 150 кэВ)) оказывается существенно меньше, чем может показаться по графику сечений. И вот если смотреть не на сами сечения, а уже на <\sigma v>, то получается следующее:



Скорость B-11-p превышает скорость D-D только в области температур выше 100кэВ, причём не очень сильно, максимум в четыре раза. При этом D-D на самом деле даёт больше энергии (вторичные реакции He-3(D,p)He-4 и T(D,n)He-4 идут намного быстрее  самой D-D, а в сумме они обеспечивают 21.6 МэВ вместо 8.7 МэВ у бора). Т.е. преимущества бор-протонной реакции по плотности энерговыделения по сравнению с дейтерием невелики, а вот излучает он в разы сильнее. В результате если у дейтерия есть область параметров где термоядерная мощность выше мощности излучения плазмы, то у бора уже такой области нет.

[AlexAV]

Скорей всего так и будет.

Ну в перспективы D-D я тоже не особо верю. Требования по допустимому содержанию примесей и "золы" там получаются чрезмерными и мало выполнимыми на практике, это её и похоронит. Но с точки зрения физики если добиться абсолютной чистоты плазмы и очень низкого уровня синхротронных потерь то энергетическая окупаемость такой реакции возможна.

[AlexAV]

Данная мной выше диаграмма взята из работы академика Велихова, руководителя ИТЕР.

Эти сечения общеизвестны и приведены корректно, однако для описания плотности энерговыделения нужны не сами сечения, а константы скоростей (которые естественно с ними связаны, но это не одно и тоже).

Откуда у вас такие странные данные

Что Вы конкретно имеете ввиду? В области до 100кэВ у D-D и сечения и константы скоростей выше чем у B-11-p. Что касается оптимум для DD - это общеизвестная вещь и постоянно встречается в литературе.

Ну вот скажем упоминается здесь: https://www-internal.psfc.mit.edu/ldx/pubs/DD_ldr_v5.pdf

Вот тройное произведение необходимое для зажигания (n_e \tau T - T):


Красная линия - DT, сплошная и пунктирная чёрные - два варианта "катализированного" DD (c сжиганием трития и с его извлечением, распадом до He-3 и вводом в цикл), D-He-3 - синяя линия.

Оптимум для "катализированного" дейтерия в окрестности 40-50 кэВ.

[Kaiserfrogling]

оптически прозрачная плазма

Неужели только я слышал об зеркальных отражателях?
Правда тут есть проблема - толстые отражатели будут мешать магнитному полю, тонкие долго не проживут под 14МЭВ нейтронами.
Точное время до сих пор неизвестно, но интерполяция результатов JET говорит что в промышленном Д-Т реакторе оно проживет неделю или две не больше. При том что его замена потребует остановки реактора не менее чем на месяц про экономику вообще молчу.
Но это для Д-Т, для Д-ГЕ (2% нейтронов от Д-Т) оно проживет больше года что в принципе уже коммерчески эффективно
А у П-Б (0,1% нейтронов от Д-Т) оно проживет не меньше чем сам реактор

[ВадимZero]

Неужели только я слышал об зеркальных отражателях?

Вы что отражать то собрались? Рентген? Так его под прямыми углами отражать не умеют.

[Kaiserfrogling]

По горению хвостов Д-Д излишний оптимизм.
По закону последовательных вероятностей Паскаля, уровень хвостовых реакций никогда не будет выше питающей реакции.
На практике он ниже - тк хвосты сразу после горения обладают избыточной энергией, и при столкновении с другим ядром отскочат.
Им нужна целая цепочка столкновений для охлаждения до оптимальной температуры, в которой они могут ее проскочить.

[ВадимZero]

На практике он ниже - тк хвосты сразу после горения обладают избыточной энергией, и при столкновении с другим ядром отскочат.

На практике, при энергиях хвостов реакция идет очень хорошо. Смотрите собственный график.

[zeon111]

По моему термоядерная энергетика это практически утопия. Уже 70 лет бьются над этим и все никак. Не уверен что это работать будет. Куча проблем. Особенно наведенная радиация которая все разрушит + нереально высокие температуры ... вобщем это полуфантастика. Но если сделают лет через 30-50 будет круто.

[Змей Петров]

Но если сделают лет через 30-50 будет круто.

Это очень оптимистичный прогноз.

[Kaiserfrogling]

Рентген?

Какой рёнтген?
Плазма низкого давления прозрачна для низкоэнергетичного излучения.
Плазма с высокой БЕТА для рёнтгеновского излучения не очень то и прозрачна - его поглощение лежит  в основе возникновения ударной волны при ядерном взрыве, и в основе инерциального термояда.
Бруссард предполагал что коммерческий термояд возможен на поливелле с высокобетовым плазмашаром в 1м диаметра, в котором до поверхности будет доходить не более 20% рентгена

[mbrane]

В этом плане ресурсная база такой термодерной энергетики не особо больше чем у обычной атомной, строящейся на делении ядер актиноидных элементов.

Ну сама технология сепарации Li 6/7 хоть энергозатратна, но отработана...вопрос в упирается в доступность морских ресурсов лития...хотя собственно не обязательно морские есть ряд промышленных рассолов (например мне рассказывают о таковых при бурении западносибрской нефти) с повышенным содержанием лития

[mbrane]

Литий-6 тоже не песок,  под ногами как то не валяется.

камерад уран тоже под ногами не валяется...Однако есть огромная индустрия по добыче урана, из руд с содержанием до 0,05%  по урану... Кстати тритий действительно получается из лития-6, но он вполне и без ядерного реактора может получатться в термодеррнои процессе как промежуточная стадия из того же лития-6..

Термояд в обозримом будущем не сыграет вообще никакой роли в развитие человечества.

Ваша фамилия Заратустра...А имя Пифия?

А если его кВт/час окажется дороже обычных источников, то его вообще не будет.

Как только доступных энергоисточников будет становиться ( свысоким EREOI) все менее - то цены на термояд и традиционные начнут сравниваться

Запасов тория хватит уже на тысячи лет. 

Поосле чего смерть...Ну то есть ломку растянуть на дополнительную тысячу лет...Да и то на тысячу ли...Либо вслед за ториевой жнергетикой вырастеит кратно потребление - например начнут тундру подогревать "дешевой" энергией (и это увы правда может случиться - на Наталкинском местрождении гидроэнергию колымчких гэс напраляют на подогрев сотен тысяч тонн руды по проектам)

А в связки с ВИЭ это практически неисчерпаемый источник энергии. 

создай себе ветку и неси херню о неисчерпаемости ВИЭ... Заодно поведаешь нам о том как перестроить всю промышленность  под технлогические процессы со стохастическим режимом жнергопитания

А если стоимость кВт/час  СЭС  упадет еще то термояда не будет никогда.

а если ФРС напечатает еше 6 триллионов долларов на очередное КУЭ то никакого паднения стоимости квтч не будет...в принципе не будет...