Сравнительный анализ энергобаланса D–3He-плазмы в замкнутых термоядерных магнитных ловушках


Просмотр статьи
PDF, 446,6 КБ

Comparative analysis of the power balance for D–3He fusion plasma in closed magnetic traps

This paper reports on a comparative analysis of the magnetic fusion energy systems based on aneutronic D–3He fuel. The power balance for a reactor is described for plasma confinement inside closed field lines (region called separatrix). Numerical model of the fusion power density energy balance condition is considered for the closed magnetic traps (tokamak, spherical tokamak, stellarator, and compact toroid). D–T, D–3He, and D–D (catalyzed) fuel cycles are discussed. The conceptual designs use a D–3He fuel cycle and require advances in technology and physics for economical attractiveness. Neutronic aspects and main parameters are presented. Results from the sys-tems analysis are summarized, and a comparison with the D–T-fueled tokamaks is included. The application of the plasma and engineering physics to the D–3He fuel cycle, however, is expected to produce a design that is competitive with fissile and fossil power plants.


Том 11, 2011 год



Рассматриваются системы магнитного удержания высокотемпературной плазмы с замкнутыми силовыми линиями, которые на данный момент занимают лидирующие позиции при изучении физики управляемого термоядерного синтеза. Представлены схема энергетического баланса термоядерной D–3He-плазмы и основные характеристики реакторов, которые являются замкнутыми ловушками по способу удержания плазмы. Приведено сравнение концептуальных проектов на основе классических токамака и стелларатора, сферического токамака и компактного тора.

высокотемпературная плазма, энергетический баланс, термоядерный синтез


Том 11, 2011 год



1. Feldbacher R. Nuclear reaction cross sections and reactivity parameter library and files // The Alternate Energy Physics Program Barnbook DATLIB. Vienna: IAEA, 1987. 148 p.
2. Велихов Е.П., Смирнов В.П. Состояние исследований и перспектива термоядерной энергетики // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2006. Вып. 4. С. 3–14.
3. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Малорадиоактивный D–3He термоядерный топливный цикл с самообеспечением 3He // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, № 16. С. 47–53.
4. Khvesyuk V.I., Chirkov A.Yu. Low-radioactivity D–3He fusion fuel cycles with 3He production // Plasma Phys. Control. Fusion. 2002. V. 44. P. 253–260.
5. Ryzhkov S.V. Helium-3 - based fusion plasma // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. 2008. V. 14, N 6. P. 61–63.
6. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Анализ топливных циклов для альтернативных термоядерных реакторов // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2000. Вып. 3. С. 28–35.
7. Khvesyuk V.I., Ryzhkov S.V. Analysis of D-3He-6Li Fuel Cycle // Summary of IAEA-TCM on Innovative Approaches to Fusion Energy. October 20-23, 1997. Pleasanton, California.
8. Чирков А.Ю. Реакторы на топливе D–3He и p–11B: физические модели и численные результаты // Труды научной конференции «Проблемы термоядерной энергетики и плазменные технологии». Москва, 17–18 сентября 2009 г. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С. 82–87.
9. Chirkov A.Yu., Khvesyuk V.I., Ryzhkov S.V. Power and spectra of thermal relativistic bremsstrahlung // V Между-народный симпозиум по радиационной плазмодинамике. М.: НИЦ “Инженер”, 2000. С. 95–96.
10. Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. К расчету функций распределения высокоэнергетичных ионов по скоростям // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2003. Вып. 1. С. 55–65.
11. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Анализ закономерностей рассеяния частиц плазмы на нестационарных флуктуациях // ЖТФ. 2004. Т. 74, Вып. 4. С. 18–26.
12. Chirkov A.Yu., Khvesyuk V.I. Electromagnetic drift insta-bilities in high-β plasma under conditions of a field reversed configuration // Phys. Plasmas. 2010. V. 17. No. 1. 012105.
13. Чирков А.Ю. О возможной концепции токамака-реактора с альтернативным термоядерным циклом D–3He // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2001. Вып. 2. С.37–43.
14. Чирков А.Ю. О возможности использования D–3He-цикла с наработкой 3He в термоядерном реакторе на основе сферического токамака // ЖТФ. 2006. Т. 76, № 9. С. 51–54.
15. Рудаков В.А. Реактор-стелларатор на основе D-3He синтеза // Сб. докладов Совещания по малорадиактивному термоядерному синтезу на основе D-3He. М.: ИАЭ. 1991. С. 93.
16. Чирков А.Ю. Оценка параметров плазмы в D–3He-реак-торе на основе обращенной магнитной конфигурации // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2006. Вып. 4. С. 57–67.
17. Khvesyuk V.I., Ryzhkov S.V., Santarius J.F. et al. D-3He field reversed configuration fusion power plant // Fusion Technology // Fusion Technology. 2001. V. 39, N 1T. P. 410–413.
18. Ryzhkov S.V. Comparison of a deuterium - helium-3 FRC and mirror trap for plasma confinement // Fusion Science and Technology. 2007. V. 51, N 1T. P. 190–192.
19. Ryzhkov S.V. Modeling of plasma physics in the fusion reactor based on a field-reversed configuration // Fusion Sci-ence and Technology. 2009. V. 55, N 2T. P. 157–161.
20. Ryzhkov S.V. Alternative fusion reactors as commercial power plants // Journal of Plasma and Fusion Science Series. 2009. V. 8. P. 35–38.
21. Волков Е.Д., Рудаков В.А., Супруненко В.А. Оптимизация сценария поджига в реакторе-торсатроне // В кн.: Тезисы докладов второй Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. Л.: НИИЭФА. 1981. С. 173.
22. Рыжков С.В. Обращенная магнитная конфигурация и приложения высокотемпературной плазмы FRC // Прикладная физика. 2010. № 1.
23. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Производство энергии в амбиполярных реакторах с D–T, D–3He и D–D топливными циклами // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, № 21. С. 61–66.
24. Kulcinski G.L., Emmert G.A., Blanchard J.P. et al. Sum-mary of APOLLO, a D-3He tokamak reactor design // Fu-sion Technol. 1992. V. 21. P. 2292−2315.
25. Bathke and the ARIES team. Systems analysis in support of the selection of the ARIES-RS design point // Fusion Eng. and Design. 1997. V. 38. P. 59–74.
26. Momota H., Ishida A., Kohzaki Y. et al. Conceptual design of D-3He FRC reactor ARTEMIS // Fusion Technol. 1992. V. 21. P. 2307–2323.
27. Ryzhkov S.V., Khvesyuk V.I., Ivanov A.A. Progress in an alternate confinement system called a FRC // Fusion Science and Technology. 2003. V. 43, N 1T. P. 304–308.
28. Stambaugh R.D., Chan V.S., Miller R.L. et al. The spherical tokamak path to fusion power // Fusion Technol. 1998. V. 33, N 1. P. 1–21.
29. Moir R.W., Bulmer R.H., Gulec K. et al. Thick liquid-walled, field-reversed configuration. - Preprint UCRL-JC-139086, 2000.
30. Мирнов С.В. Тезисы докладов XXXIV Межд. (Звениго-родской) конференции по физике плазмы и УТС, 2007, с. 26; Петров В.Г., Петров А.А., Азизов Е.А. и др. // Физика плазмы. 2007. Т. 33. № 9. С. 771–781.
31. Moir R.W. Liquid first walls for magnetic fusion energy configurations // Nuclear Fusion. 1997. V. 37. P. 557–566.