Conceptual study of a straight field line mirror hybrid reactor

Abstract

A hybrid reactor based on the straight field line mirror (SFLM) with magnetic expanders at the ends is proposed as a compact device for transmutation of nuclear waste and power production. Compared to a fusion reactor, plasma confinement demands can be relaxed if there is a strong energy multiplication by the fission reactions, i.e. Qr=Pfission/Pfusion>>1. The values of Qr is primarily restricted by fission reactor safety requirements. For the SFLM, computations suggest that values of Qr ranging up to 150 are consistent with reactor safety. In a mirror hybrid device with Qr >100, the lower bound on the electron temperature for power production can then be estimated to be around 400 eV, which may be achievable for a mirror machine. The SFLM with its quadrupolar stabilizing fields does not rely on plasma flow into the expanders for MHD stability, and a scenario with plasma density depletion in the expanders is a possibility to increase the electron temperature. Efficient power production is predicted with a fusion Q = 0.15 and an electron temperature around 500 eV. A fusion power of 10 MW could then be amplified to 1.5 GW fission power in a compact 25 m long hybrid mirror machine. Beneficial features are that all sensitive equipment can be located outside the neutron rich region and a steady state power production seems possible. Self circulation of the lead coolant, which is useful for heat removal if coolant pumps cease to operate, could be arranged by orienting the magnetic axis vertically. Results from studies on plasma equilibrium and stability, coil designing, RF heating and neutron computations are presented.

Гібридний реактор на основі магнітної пастки з прямими силовими лініями та магнітними розширювачами на кінцях пропонується використовувати як компактний пристрій для трансмутації ядерних відходів та виробництво енергії . У порівнянні з термоядерним реактором, вимоги до утримання плазми можуть бути знижені, якщо є значне посилення вихідної потужності за рахунок ядерних реакцій поділу, тобто Qr=Pfission/Pfusion>>1. Значення Qr, в першу чергу, обмежені вимогами до безпеки реакторів. Розрахунки показують, що значення Qr до 150 відповідають таким вимогам. У плазмі відкритої пастки гібридного реактора з Qr> 100, нижня межа температури електронів, при якій можливе виробництво електроенергії, складає за оцінками близько 400 еВ, що може бути досягнуто у відкритій пастці. Для пастки з прямими силовими лініями з її стабілізуючими квадрупольними полями не настільки важлива стабілізація МГД-нестійкостей потоком плазми в розширювачі. Сценарій із зменшенням щільності плазми по мірі її відходу в розширювачі дає можливості збільшення температури електронів. Ефективне виробництво електроенергії очікується при термоядерному коефіцієнті посилення потужності Q = 0.15 і температурі електронів близько 500еВ. Потужність потоку термоядерних нейтронів 10 МВт може бути посилена до 1.5 ГВт за рахунок реакцій поділу в компактному гібридному реакторі довжиною 25 метрів. Перевагою розглянутої схеми є те, що все чутливе до нейронних потоків обладнання може бути розташоване за межами реакторної зони і, крім того, можливий безперервний режим виробництва енергії. Якщо пристрій зроблено вертикальним, то можна створити умови для вільної циркуляції свинцевого теплоносія, яка може забезпечити відведення тепла в разі, якщо насоси перестають працювати. Представлено результати дослідження рівноваги і стійкості плазми, вибір котушок магнітного поля, ВЧ-нагрів плазми і нейтронні розрахунки.

Гибридный реактор на основе магнитной ловушке с прямыми силовыми линиями и магнитными расширителями на концах предлагается использовать как компактное устройство для трансмутации ядерных отходов и производства энергии. По сравнению с термоядерным реактором, требования к удержанию плазмы могут быть понижены, если значительное умножение выходной мощности за счет ядерных реакций деления, т.е. Qr=Pfission/Pfusion>>1. Значения Qr, в первую очередь, ограничены требованиями к безопасности реакторов. Расчеты показывают, что значения Qr вплоть до 150 соответствуют таким требованиям. В плазме открытой ловушки гибридного реактора с Qr> 100 нижня граница температуры элетронов, при которой возможно производство электроэнергии, составляет по оценкам около 400 эВ, что может быть достигнуто в открытой ловушке. Для ловушки с прямыми силовыми линиями, с ее стабилизирующими квадрупольными полями, не столь важна стабилизация МГД-неустойчивостей потоками плазмы в расширители. Сценарий с уменьшением плотности плазмы по мере ее ухода в разширители дает возможность увеличения температуры электронов. Эффективное производство электроэнергии ожидается при термоядерном коэффициенте усиления мощности Q = 0.15 и температуре элетронов около 500эВ. Мощность потока термоядерных нейтронов 10 МВт может быть усилена до 1.5 ГВт за счет реакций деления в комрактном гибртдном реакторе длиной 25 метров. Преимуществом рассмотренной схемы является то, что все чувствительное к нейтронным потокам оборудование может быть расположено за пределами реакторной зоны и, кроме того, возможен непрерывный режим производства энергии. Эсли устройство сделано вертикальным, то можна создать условия для самопроизвольной циркуляции свинцевого теплоносителя, которая может обеспечить от вод тепла в случае, если насосы перестают работать. Представлены результаты исследования равновесия и устойчивости плазмы, выбор катушек магнітного поля, ВЧ-нагрев плазмы и нейтронные расчеты.