핵융합 에너지 이득 계수

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보통 기호 Q로 표현되는 핵융합 에너지 이득 인수는 핵융합 원자로에서 생성된 핵융합 전력과 플라스마를 안정된 상태로 유지하는 데 필요한 전력의 비율이다.핵융합 반응에 의해 방출되는 전력이 필요한 가열 전력과 같을 때 Q = 1의 조건을 브레이크벤(breakeven) 또는 일부 소스에서는 과학적 브레이크벤(scientific breakeben)이라고 한다.

융접 반응에 의해 방출되는 에너지는 연료 내에서 포착되어 자가 발열로 이어질 수 있습니다.대부분의 핵융합 반응은 에너지의 적어도 일부를 플라즈마 내에서 포착할 수 없는 형태로 방출하므로 Q = 1의 시스템은 외부 가열 없이 냉각됩니다.일반적인 연료의 경우, 핵융합로의 자가 가열은 적어도 Q 5 5까지는 외부 선원과 일치하지 않을 것으로 예상된다. Q가 이 지점을 지나 증가하면 결국 외부 가열의 필요성이 사라진다.이 시점에서 반응은 연소라고 불리는 자급자족 상태가 되며, 일반적으로 실용적인 원자로 설계에 매우 바람직한 것으로 간주된다.점화는 무한 Q에 해당하며, 이 경우 플라즈마에서 자체 지속적 핵융합 반응을 시작하기 위해 에너지 입력이 필요하지 않습니다.

시간이 지남에 따라 몇 가지 관련 용어가 퓨전 어휘에 포함되었습니다.연료 내에서 포착되지 않은 에너지는 외부에서 포착되어 전기를 생산할 수 있습니다.그 전기는 플라즈마를 작동 온도로 가열하는 데 사용될 수 있습니다.이러한 방식으로 자체 전력을 공급받는 시스템을 엔지니어링 손익분기점(Engineergineering breakben.공학적 이익보다 더 많은 전기를 생산하고 그 초과분을 판매할 수 있습니다.운영비를 충당하기에 충분한 전기를 판매하는 것을 경제적 손익분기점이라고 부르기도 한다.또한, 핵융합 연료, 특히 삼중수소는 매우 비싸기 때문에, 많은 실험이 수소나 중수소와 같은 다양한 시험 가스에서 실행된다.삼중수소가 도입되면, 이러한 연료로 가동되는 원자로는 손익분기점에 가동될 것이며, 이 이론적 임계값을 외삽 손익분기점이라고 한다.

2021년 현재^[update], Q에 대한 기록은 2021년 ^[1]8월에 처음 달성된 Q = (1.35 MW)/ (1.9 MW) 0 0.70으로 미국 국립 점화 시설에서 보유하고 있다.추정 손익분기점에 대한 최고 기록은 JT-60 장치에 의해 게시되었으며 Q = 1.25로_ext JET의 초기 1.14를 약간 능가했다.ITER는 원래 점화 장치에 도달하도록 설계되었지만, 현재 Q = 10에 도달하도록 설계되어 50 MW의 주입된 화력으로부터 500 MW의 핵융합 전력을 생산합니다.

개념.

Q는^[a] 단순히 원자로의_fus 핵융합 반응 P에 의해 방출되는 전력을 정상 운전 조건에서 공급되는 지속적인 가열 전력 P와_heat 비교한 것이다.정상 상태에서 동작하지 않고 펄스 대신 펄스화된 설계에 대해서는 P에서_fus 생성된 모든 융접 에너지와 ^[b]P에서_heat 펄스를 생성하는 모든 소비 에너지를 합산하여 동일한 계산을 할 수 있습니다.단, 추가 전력손실을 고려하는 손익분기점에는 몇 가지 정의가 있다.

브레이븐

1955년, John Lawson은 최초로 에너지 균형 메커니즘을 상세하게 탐구했습니다.처음에는 기밀문서였지만 지금은 유명한 1957년 논문에 공개적으로 발표되었습니다.이 논문에서 그는 초기 연구자들, 특히 한스 티링, 피터 토네만과 리처드 포스트의 리뷰 기사에 대해 고려하고 다듬었다.로슨의 논문은 이 모든 것을 확장하면서 다양한 메커니즘을 통해 손실되는 전력량을 상세하게 예측하고 이를 반응을 ^[2]지속하는 데 필요한 에너지와 비교했다.이 균형은 오늘날 로슨 기준으로 알려져 있다.

성공적인 핵융합로 설계에서 핵융합 반응은 ^[c]P로 지정된_fus 양의 출력을 생성한다.이 에너지의 일부인_loss P는 다양한 메커니즘을 통해 손실되는데, 대부분 원자로실 벽면에 대한 연료 대류 및 전력을 생성하기 위해 포착할 수 없는 다양한 형태의 방사선이 그것이다.반응을 지속시키기 위해 시스템은 이러한 손실을 보충하기 위해 난방을 제공해야 합니다. 여기서_loss P = P는_heat 열 ^[3]평형을 유지합니다.

손익분기점의 가장 기본적인 정의는 Q = ^[d]1일_fus 때, 즉_heat P = P이다.

몇몇 작품들은 이 정의를 과학적 손익분기점이라고 언급하며 비슷한 ^[4][5]용어와 대조한다.그러나 특정 영역, 특히 관성 구속 융합장에서는 이 용어가 훨씬 더 널리 사용되는 경우 이 사용이 드물다.관성 장치 및 많은 유사한 개념은 평형을 유지하려고 시도하지 않고 생성된 에너지를 포착합니다.이 경우 P는_heat 직접 가열이든 레이저 또는 자기 압축과 같은 다른 시스템이든 반응을 생성하는 데 필요한 모든 에너지를 고려합니다.

외삽식 손익분기점

1950년대 이후, 대부분의 상업용 핵융합로 설계는 1차 연료로 중수소와 삼중수소의 혼합에 기초해 왔다. 다른 연료는 매력적인 특징을 가지고 있지만 점화하기가 훨씬 어렵다.삼중수소는 방사능, 생물 활성, 이동성이 높기 때문에, 상당한 안전성 우려를 나타내며,^[6] 그러한 원자로를 설계하고 운영하는 비용이 증가한다.

비용을 낮추기 위해, 많은 실험 기계는 삼중수소를 제외하고 수소나 중수소의 시험 연료만으로 작동하도록 설계되었다.이 경우 외삽절단이라는 용어는 수소 또는 중수소만으로 ^[7]구동할 때의 성능에 기초하여 D-T 연료로 구동하는 기계의 예상 성능을 정의하기 위해 사용된다.

추정 손익분기점의 기록은 과학적 손익분기점의 기록보다 약간 높다.JET와 JT-60은 모두 D-D 연료로 동작하고 있는 동안 1.25(자세한 것은 이하를 참조해 주세요)의 값에 도달했습니다.D-T에서 실행할 경우, JET에서만 가능한 최대 성능은 추정치의 ^[8]약 절반입니다.

엔지니어링 손익분기점

또 다른 관련 용어인 엔지니어링 브레이크벤(Engineering breakeben)은 원자로에서 에너지를 추출하여 전기 에너지로 전환하고 그 중 일부를 가열 ^[7]시스템에 다시 공급해야 할 필요성을 고려합니다.퓨전으로부터 히터 시스템으로 다시 전기를 보내는 이 폐쇄 루프를 재순환이라고 합니다.이 경우 기본 정의는_fus 이러한 ^[9]프로세스의 효율성을 고려하기 위해 P 측에 용어를 추가함으로써 변경됩니다.

D-T 반응은 대부분의 에너지를 중성자로 방출하고 알파 입자와 같은 하전 입자로 방출합니다.중성자는 전기적으로 중립적이며 자기 제한 융합(MFE) 설계에서 벗어나며, 관성 제한 융합(ICF) 설계에서 발견되는 매우 높은 밀도에도 불구하고 이러한 설계에서도 연료 질량을 쉽게 벗어나는 경향이 있다.즉, 반응에서 하전된 입자만 연료 질량 내에서 포착하여 자가 발열을 일으킬 수 있습니다.하전 입자에서 방출되는 에너지의 비율이 f이면_ch, 이러한 입자의 힘은 P = fP입니다_chchfus.이 자가 가열 프로세스가 완벽하다면, 즉 P가_ch 모두 연료에 포착될 경우, 즉 전기를 발생시키는 데 사용할 수 있는 전력은 해당 형태로 방출되지 않는 전력 또는 (1_ch - f_fus)^[10]P임을 의미합니다.

대부분의 실제 에너지를 운반하는 중성자의 경우, D-T 연료의 경우와 같이, 이 중성자 에너지는 일반적으로 원자로 연료에 사용되는 더 많은 삼중수소를 생산하는 리튬의 "블랭크"에서 포착된다.다양한 발열 및 흡열 반응으로 인해 블랭킷의 파워 게인 계수는_R M.M_R.은 일반적으로 1.1 ~ 1.3 정도이며, 이는 소량의 에너지도 생산한다는 것을 의미합니다.환경에 방출되어 에너지 생산에 사용할 수 있는 에너지의 총량인 순 결과는 원자로의 ^[10]순출력인 P라고 한다_R.

그런 다음 블랭킷을 냉각하고 기존 증기 터빈 및 발전기를 구동하는 열 교환기에 사용되는 냉각 오일을 사용합니다.그리고 나서 그 전기는 난방 ^[10]시스템에 다시 공급된다.세대 체인의 각 단계에는 고려해야 할 효율이 있습니다.플라즈마 가열 시스템의 경우, ${\displaystyle {\mu }_{}}$ h ${\displaystyle e_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ t$${$displaystyle \eta$ _${heat}}$은 약 60~70%이며, 랭킨 사이클에 기반한 최신 발전기 시스템은 ${\displaystyle {\mu }_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ {$displaystyle \eta$ _${elec}$를 약 35~40% 가지고 있습니다.이것들을 조합하면, 전력 변환 루프 전체의 순효율 「${\displaystyle N_{}}$ ${\displaystyle P_{}}$C \$display$ \$eta$_ { $NPC$} 」를 약 0.20 ~0.25 로 얻을 수 있습니다.즉, $(\$의 약 20~25%^[10]를 재순환할 수 있습니다.

따라서 엔지니어링 손익분기점에 도달하는 데 필요한 융합 에너지 이득 계수는 다음과 ^[11]같이 정의됩니다.

${\displaystyle Q_{E}\equiv {Frac {P_{fus}}{P_{heat}}=param frac {1}{\eta _{heat}\cdot f_{paramc}\cdot \eta _{elec}\cdot (1-f_{ch}}}}}$

$({$가 어떻게 $사용$되는지 이해하기 위해 20MW 및 Q = 2에서 가동되는 원자로를 검토한다. 20MW에서 Q = 2는 P가_heat 10MW임을 의미하며, 원래 20MW 중 약 20%가 알파이므로 완전한 포획을 가정할 때 4MW의 P가_heat 자체 공급된다.총 10 MW의 난방이 필요하고 그 중 4개는 알파를 통해 공급되기 때문에 6 MW의 전력이 더 필요합니다.원래 20 MW의 출력 중 4 MW가 연료에 남아 있기 때문에 16 MW의 순출력이 있습니다.블랭킷에 1.15의 M을 사용하면_R 약 18.4 MW의 P를_R 얻을 수 있다. 24_R MWP를 필요로 하는 ${\displaystyle {양호}_{}}$한 $(\$를 가정하면 Q=2의 원자로는 엔지니어링상 이익에 도달할 수 없다.Q = 4에서는 5 MW의 난방이 필요하며, 이 중 4개는 퓨전(fusion)으로 인해 1 MW의 외부 전력이 필요하며, 이는 18.4 MW의 순출력으로 쉽게 발생할 수 있습니다.따라서 이 이론 설계의 경우 Q는_E 2와 4 사이입니다.

실제 손실과 효율성을 고려할 때 일반적으로 5와 8 사이의 Q 값은 자기 제한 ^[10]장치에 대해 나열되지만 관성 장치는 ${\displaystyle {\mu }_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ a$$ \ $display$style \$eta$_ {$heat}$의 값이 현저히 낮기 때문에 훨씬 더 높은_E Q 값이 50에서 ^[12]100까지 필요합니다.

점화

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플라즈마 온도가 상승하면 융접반응 속도가 빠르게 증가하고, 이를 통해 자기발열 속도가 빨라진다.반면 X선과 같은 포착 불가능한 에너지 손실은 같은 속도로 증가하지 않습니다.따라서 전반적으로 온도가 상승함에 따라 자가 가열 프로세스가 더욱 효율적이며 온도를 유지하기 위해 외부 소스에서 필요한 에너지가 줄어듭니다.

결국_heat P는 0에 도달한다. 즉, 플라즈마를 작동 온도로 유지하는 데 필요한 모든 에너지가 자가 가열에 의해 공급되고, 추가되어야 하는 외부 에너지의 양은 0으로 감소한다.이 지점을 점화라고 합니다.에너지 중 20%만 알파로 방출돼 자가 발열을 일으키는 D-T 연료의 경우 플라즈마가 작동 온도로 유지하는데 필요한 5배 이상의 전력을 방출할 때까지는 이런 현상이 발생하지 않는다.

점화란 정의상 무한 Q에 해당하지만 자석이나 냉각 시스템과 같은 시스템의 다른 전원 싱크가 여전히 전원을 공급해야 하기 때문에 f가 0으로 떨어지는 것을_recirc 의미하지는 않습니다.그러나 일반적으로 이러한 에너지는 히터의 에너지보다 훨씬 작으며 훨씬 작은 f를_recirc 필요로 합니다.더욱 중요한 것은 이 수치가 거의 일정할 가능성이 높기 때문에 플라즈마 성능이 더욱 개선되면 재순환에 비해 상업용 발전에 직접 사용할 수 있는 에너지가 많아진다는 것입니다.

상업용 손익분기점

손익분기점의 최종 정의는 상업용 손익분기점이며, 이는 재순환 후 남은 순전기의 경제적 가치가 ^[7]원자로에 대한 비용을 지불하기에 충분할 때 발생한다.이 값은 원자로의 자본 비용과 그와 관련된 자금 조달 비용, 연료와 유지보수를 포함한 운영 비용 및 전력의 ^[7][13]현물 가격에 따라 달라진다.

상업용 손익분기점은 원자로 자체의 기술 밖의 요인에 의존하며, 엔지니어링 손익분기점을 훨씬 넘어 완전히 점화된 플라즈마가 가동되는 원자로조차도 비용을 지불할 수 있을 만큼 신속하게 충분한 전기를 생산하지 못할 가능성이 있다.ITER와 같은 주요 개념이 이 목표를 달성할 수 있는지 여부가 현장에서 ^[14]논의되고 있습니다.

실제적인 예

2017년 현재^[update] 연구되고 있는 대부분의 핵융합로 설계는 D-T 반응에 기초하고 있다. 왜냐하면 D-T가 발화되기 가장 쉽고 에너지 밀도가 높기 때문이다.하지만, 이 반응은 또한 대부분의 에너지를 하나의 고에너지 중성자의 형태로 방출하고 에너지의 20%만 알파의 형태로 방출합니다.따라서 D-T 반응의 경우_ch f = 0.2이다.즉, 최소 Q = 5가 될 때까지 자가 가열이 외부 가열과 동일하지 않습니다.

효율성 값은 설계 세부 사항에 따라 다르지만 may_heat = 0.7(70%) 및 η_elec = 0.4(40%)의 범위에 있을 수 있습니다.핵융합로의 목적은 동력을 생산하는 것이지 재순환하는 것이 아니기 때문에 실용적 원자로는 대략_recirc f = 0.2이어야 한다.낮을수록 좋겠지만 달성하기 어려울 것이다.이러한 값을 사용하여 실용 원자로 Q = 22에 대해 알 수 있다.

ITER를 고려하여 50 MW의 공급에 500 MW의 에너지를 생산하는 설계를 가지고 있습니다.출력의 20%가 자기 발열일 경우 400MW의 전류가 빠져나간다는 것을 의미합니다.동일한 θ_heat = 0.7 및 θ_elec = 0.4라고 가정할 때, (이론적으로) ITER는 최대 112 MW의 열을 발생시킬 수 있다.즉, ITER는 엔지니어링 부문 수익률로 운용됩니다.다만, ITER에는 전력 추출 시스템이 탑재되어 있지 않기 때문에, 이것은 DEMO등의 후속 머신이 될 때까지 이론적인 상태로 남아 있습니다.

일시적인 경우와 연속적인 경우의 비교

많은 초기 핵융합 소자는 마이크로초 동안 작동했고, 자기 구속 시스템을 공급하기 위해 일종의 펄스 전원을 사용했으며, 구속으로부터의 압축을 가열 소스로 사용했습니다.이 맥락에서 Lawson은 같은 ^[8]사이클 동안 기계에 공급된 총 에너지와 비교하여 전체 반응 사이클에서 방출된 총 에너지로 손익분기점을 정의했습니다.

시간이 지남에 따라 퍼포먼스가 큰 폭으로 향상됨에 따라 반응 시간은 마이크로초에서 초로, ITER에서는 분 단위로 길어졌습니다.이 경우 "전체 반응 주기"의 정의가 모호해집니다.시스템 세우고 있는ignited 플라즈마의 경우, 예를 들어, Pheat, 언제 완전히 개발된 다음 0으로 떨어지면,이 운영하고 있서 시간에 당장 와, 또는 무한한 고등을 결정하려고 할 수 있기 높을 것, 이러한 경우에 A.A더 나은 해결책은 원래 로슨 정의 a를 사용하는 것입니다얼음반응을 통해 ^[8]숙성되어 원래의 정의와 유사한 값을 생성한다.

또 다른 합병증이 있습니다.시스템이 작동 조건에 도달하는 가열 단계에서는 핵융합 반응에 의해 방출되는 에너지의 일부가 주변 연료를 가열하는 데 사용되므로 환경으로 방출되지 않습니다.플라즈마가 작동 온도에 도달하고 열 평형에 들어가면 이는 더 이상 사실이 아닙니다.따라서 전체 사이클에 걸쳐 평균을 낼 경우 이 에너지는 가열 기간의 일부로 포함됩니다. 즉, 가열용으로 포착된 에너지의 일부는 P로 방출되므로_fus 작동 ^[8]Q를 나타내지 않습니다.

JET 원자로 운영자들은 이 입력을 총량에서 제거해야 한다고 주장했다.

$\displaystyle Q*\equiv\frac {P_{fus}}{P_{heat}-P_{temp}}}:$

여기서:

${\displaystyle P_{temp}=param frac {dWp}{dt}$

즉, P는_temp 플라즈마의 내부 에너지를 증가시키기 위해 가해지는 힘입니다.이 정의는 JET의 0.67 ^[8]레코드 값을 보고할 때 사용되었습니다.

이 정의에 대한 약간의 논쟁은 계속되고 있다.1998년, JT-60의 운영자들은 D-D 연료로 작동하는 Q = 1.25에 도달했다고 주장했고, 따라서 추정 손익분기점에 도달했다.이 측정은 Q*의 JET 정의에 기초했습니다.이 정의를 사용하여 JET는 얼마 ^[15]전에 추정 손익분기점에 도달했다.이러한 조건에서의 에너지 균형과 이전 기계의 분석을 고려할 경우, 원래의 정의를 사용해야 하며, 따라서 두 기계 모두 ^[8]손익분기점을 훨씬 밑돌고 있다.

NIF의 과학적 이익

대부분의 핵융합 실험은 어떤 형태의 자기 구속을 사용하지만, 또 다른 주요 분야는 연료 질량("표적")을 기계적으로 함께 눌러 밀도를 높이는 관성 구속 융합(ICF)이다.따라서 핵융합 이벤트 발생률이 크게 증가하고 연료를 장기간 제한해야 하는 필요성이 줄어듭니다.이 압축은 "드라이버"를 사용하여 연료를 저장하는 경량 캡슐을 가열함으로써 이루어집니다.제안된 드라이버는 다양하지만, 현재까지 대부분의 실험에서는 ^[16]레이저를 사용하고 있습니다.

기존의 Q, P_fus/P_heat 정의를 사용하면 ICF 디바이스의 Q는 매우 낮습니다.이는 레이저의 효율이 매우 낮기 때문입니다.자기시스템에서 사용되는 히터의 경우$δh는$$$약 70%이지만 레이저의 효율은 약 1%입니다.

이러한 이유로 ICF 연구의 선두주자인 Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)는 외부 동력원에 의해 운전자에게 공급되는 에너지 대신 P를 캡슐에 전달되는 에너지로 정의하는_heat Q의 또 다른 수정을 제안했다.즉, 이득의 고려에서 레이저의 비효율성을 제거할 것을 제안합니다.이 정의는 훨씬 더 높은 Q 값을 생성하며 손익분기점의 정의를_laser P / P = 1로_fus 변경한다. 때때로 그들은 이 정의를 "과학적 손익분기점"^[17][18]이라고 불렀다.이 용어는 보편적으로 사용되지 않았다. 다른 그룹은 Q의 정의를 채택했지만 P = P를_laser 단순히 ^[19]손익분기점이라고 계속 불렀다_fus.

2013년 10월 7일, LLNL은 9월 ^[20][21][22]29일 국립 점화 시설(NIF)에서 과학적 이익을 달성했다고 발표했다.이 실험에서, P는_fus 약 14 kJ인 반면, 레이저 출력은 1.8 MJ였습니다. 이전 정의에 따르면, 이것은 0.0077의 Q가 될 것입니다.이번 보도 자료에서는 Q를 다시 정의했는데, 이번에는 P가 "연료 중 가장 뜨거운 부분"으로 전달되는 에너지의 양으로 간주하여_heat 원래 레이저 에너지의 10kJ만 핵융합 반응이 일어나는 연료 부분에 도달한 것으로 계산했습니다.이 릴리스는 현장에서 ^[23][24]혹평을 받고 있습니다.

2021년 8월 17일, NIF는 2021년 8월 초, 1.9 MJ의 레이저 에너지를 캡슐에 집중시킴으로써 연료 캡슐로부터 1.35 MJ의 에너지를 생산하는 Q 값을 달성했다고 발표했다.그 결과 이전의 에너지 ^[25]생산량보다 8배나 증가했습니다.

메모들

레퍼런스

인용문

참고 문헌

• Entler, Slavomir (June 2015). "Engineering Breakeven". Journal of Fusion Energy. 34 (3): 513–518}. doi:10.1007/s10894-014-9830-2. S2CID 189913715.
• Lawson, John (1957). "Some Criteria for a Power Producing Thermonuclear Reactor". Proceedings of the Physical Society, Section B. 70 (6): 6–10. Bibcode:1957PPSB...70....6L. doi:10.1088/0370-1301/70/1/303.
• Meade, Dale (October 1997). Q, Break-even and the nτE Diagram for Transient Fusion Plasmas. 17th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering.