Il fattore di guadagno energetico da 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 condizioni stazionarie. Questo parametro, talvolta indicato anche come (dove è la potenza nucleare prodotta dalle reazioni di fusione e la potenza di riscaldamento immessa per mantenere attiva la reazione), gioca un ruolo fondamentale nei calcoli dell'efficienza di un reattore a fusione, come ad esempio nel criterio di Lawson. La condizione di Q=1, quando la potenza sprigionata dalle reazioni di fusione è pari alla potenza di riscaldamento richiesta, è detta di pareggio o, in alcune fonti, di pareggio scientifico.
L'energia sprigionata 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 dovrebbe corrispondere alle fonti esterne fino ad almeno Q=5. Se invece Q aumenta oltre questo punto, l'aumento dell'autoriscaldamento alla fine elimina la necessità di riscaldamento esterno. A questo punto la reazione diventa autosufficiente, condizione chiamata accensione. L'accensione corrisponde a Q infinito ed è generalmente considerata altamente desiderabile per progetti pratici di reattori a fusione nucleare.
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 usata per riscaldare il plasma a temperature operative. Un sistema autoalimentato in questo modo viene indicato come funzionante a pareggio tecnico. Operando al di sopra del pareggio tecnico, una macchina produrrebbe più elettricità di quanta ne usi e potrebbe vendere quell'eccesso. Uno che vende elettricità a sufficienza per coprire i propri costi operativi è talvolta noto come pareggio economico. Inoltre, i combustibili da fusione, in particolare il trizio, sono molto costosi, quindi molti esperimenti vengono eseguiti su vari gas di prova come idrogeno o deuterio. Si dice che un reattore funzionante con questi combustibili sta operando a pareggio estrapolato qualora raggiunga le condizioni di pareggio una volta introdotto il trizio.
Fino al 2017, il valore record di Q è stato ottenuto dal tokamak JET del Regno Unito, con Q=(16 MW)/(24 MW)≈0.67, raggiunto per la prima volta nel 1997. Il valore più alto per pareggio estrapolato è stato pubblicato dal tokamak di test JT-60, con valore Qext=1.25, migliorando leggermente il 1.14 del JET. ITER era stato inizialmente concepito per raggiungere l'accensione, ma attualmente è progettato per ottenere un Q = 10, producendo 500 MW di potenza da fusione da 50 MW di potenza termica introdotta.M. Shimada, D.J. Campbell, V. Mukhovatov, M. Fujiwara, N. Kirneva, K. Lackner, M. Nagami, V.D. Pustovitov, N. Uckan and J. Wesley, editors, Progress in the ITER Physics Basis, Nuclear Fusion 47 (IAEA, Vienna, 2007), S1-S414.
Concetto di Q Q è semplicemente il confronto della potenza rilasciata dalle reazioni di fusione in un reattore, Pfus, alla potenza di riscaldamento costante fornita, Pheat. Tuttavia, esistono diverse definizioni di pareggio che considerano perdite di potenza aggiuntive.
Punto di pareggio Nel 1955, John Lawson fu il primo ad esplorare in dettaglio i meccanismi di bilancio energetico, inizialmente in lavori classificati ma pubblicati apertamente in un ormai famoso documento del 1957. In questo articolo ha considerato e perfezionato il lavoro di ricercatori precedenti, in particolare Hans Thirring, Peter Thonemann e un articolo di revisione di Richard Post. Espandendo tutti questi aspetti, l'articolo di Lawson ha fatto previsioni dettagliate sulla quantità di energia che sarebbe stata 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 di reattore a fusione di successo, le reazioni di fusione generano una quantità di potenza denominata Pfus. Una parte di questa energia, denominata Ploss, viene persa attraverso una varietà di meccanismi, principalmente per convezione del combustibile sulle pareti della camera del reattore più varie forme di radiazione che non possono essere catturate per generare energia. Per mantenere attiva la reazione, il sistema deve fornire riscaldamento per compensare queste perdite, dove Pperdita=Pcalore per mantenere l'equilibrio termico.
La definizione più elementare di pareggio è quando Q=1, cioè Pfus=Pheat.
Alcuni lavori fanno riferimento a questa definizione come pareggio scientifico, per contrastarla con termini simili. Tuttavia, questo uso è raro al di fuori di alcune aree, in particolare il campo della fusione a confinamento inerziale, dove il termine è molto più ampiamente utilizzato.
Breakeven estrapolato Dagli anni '50, la maggior parte dei progetti di reattori a fusione commerciali sono stati basati su un mix di deuterio e trizio come combustibile primario; altri combustibili hanno caratteristiche attraenti ma sono molto più difficili da accendere. Poiché il trizio è radioattivo, altamente bioattivo e altamente mobile, rappresenta un significativo problema di sicurezza e si aggiunge al costo di progettazione e funzionamento di un tale reattore.
Al fine di ridurre i costi, molte macchine sperimentali sono progettate per funzionare con combustibili di prova a base di idrogeno o deuterio, escludendo il trizio. In questo caso, il termine pareggio estrapolato viene utilizzato per definire le prestazioni previste della macchina che funziona con carburante DT in base alle prestazioni quando funziona con solo idrogeno o deuterio.
I record di pareggio estrapolato sono leggermente superiori ai record di pareggio scientifico. Sia JET che JT-60 hanno raggiunto valori intorno a 1,25 (vedi sotto per i dettagli) durante il funzionamento a carburante DD. Quando si esegue su DT, possibile solo in JET, la prestazione massima è circa la metà del valore estrapolato.
Pareggio tecnico Un altro termine correlato, pareggio tecnico, 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 invia l'elettricità dalla fusione al sistema di riscaldamento è noto come ricircolo. In questo caso, la definizione di base cambia aggiungendo termini aggiuntivi al lato Pfus per considerare l'efficienza di questi processi.
Le reazioni DT rilasciano la maggior parte della loro energia sotto forma di neutroni e una quantità minore attraverso particelle cariche, particelle alfa in particolare. I neutroni sono elettricamente neutri e viaggiano indisturbati al di fuori di qualsiasi progetto di confinamento magnetico. Nonostante le densità di materia molto elevate che si trovano nei progetti di fusione a confinamento inerziale (ICF), essi tendono a sfuggire facilmente anche 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 luogo ad autoriscaldamento. Se la frazione dell'energia rilasciata nelle particelle cariche è f ch, allora la potenza in queste particelle è Pch=fchPfus. Se questo processo di autoriscaldamento è perfetto, cioè tutto Pch viene catturato nel combustibile, ciò significa che la potenza disponibile per generare elettricità è quella che non viene rilasciata in quella forma, oppure (1−fch)Pfus.
Nel caso dei neutroni che trasportano la maggior parte dell'energia pratica, come nel caso del combustibile DT, questa energia dei neutroni viene normalmente catturata da una sorta di "coperta" di litio che produce più trizio, il quale viene a sua volta utilizzato per alimentare il reattore. A causa di varie reazioni esotermiche ed endotermiche, la coperta può avere un fattore di guadagno di potenza MR. MR è tipicamente dell'ordine da 1,1 a 1.3, che significa che produce una piccola quantità di energia. Il risultato netto, la quantità totale di energia rilasciata nell'ambiente e quindi disponibili per la produzione di energia è indicato come PR, la potenza netta del reattore.
La copertura di litio viene quindi raffreddata e il fluido di raffreddamento utilizzato in uno scambiatore di calore, azionando turbine e generatori a vapore convenzionali. Tale elettricità viene quindi reimmessa nel sistema di riscaldamento. Ciascuno di questi passaggi nella catena di generazione ha un'efficienza da considerare. Nel caso dei sistemi di riscaldamento al plasma, è dell'ordine del 60-70%, mentre i moderni sistemi di generazione basati sul ciclo Rankine hanno intorno al 35-40%. Combinandoli otteniamo un'efficienza netta del ciclo di conversione di potenza nel suo insieme, , di circa 0,20-0,25. Cioè, circa dal 20 al 25% di può essere reinserito in circolo.
Pertanto, il fattore di guadagno di energia di fusione richiesto per raggiungere il pareggio ingegneristico è definito come:
Per capire come viene utilizzato, si consideri un reattore operante a 20 MW e Q = 2. Q = 2 a 20 MW implica che il Pheat è 10 MW. Di quei 20 MW originali circa il 20% è alfa, quindi assumendo la cattura completa, 4 MW di calore P sono autoalimentati. 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. Dei 20 MW originali di potenza, 4 MW sono rimasti nel combustibile, quindi abbiamo 16 MW di potenza netta. Usando MR di 1,15 per la coperta, otteniamo PR di circa 18,4 MW. Supponendo un valore di 0,25, che richiede 24 MW PR, un reattore a Q = 2 non può raggiungere il valore di pareggio ingegneristico. A Q=4 occorrono 5 MW di riscaldamento, di cui 4 provenienti dalla fusione, lasciando 1 MW di potenza esterna richiesta, che può essere facilmente generata dalla potenza netta di 18,4 MW. Quindi per questo progetto teorico il QE 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 e quindi richiedono valori di QE molto più alti, dell'ordine da 50 a 100.
Innesco 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 alla stessa velocità. 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 caloreP 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 o innesco. Nel caso del combustibile DT, dove solo il 20% dell'energia viene rilasciata sotto forma di alfa che danno luogo ad autoriscaldamento, questo non può avvenire finché il plasma non rilascia almeno cinque volte la potenza necessaria per mantenerlo alla sua temperatura di lavoro.