Helium-3 - based fusion plasma
The experimental devices and conceptual designs of the field-reversed configuration (FRC), tandem mirror and spheromak as best solution for the low radioactive plasma, namely helium-3 based fusion plasma, are reviewed. Reactor schemes based on D-³He-⁶Li fuel with the possibility of ³He mining on the...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110786 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Helium-3 - based fusion plasma / S.V. Ryzhkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 61-63. — Бібліогр.: 14 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110786 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ryzhkov, S.V. 2017-01-06T12:41:10Z 2017-01-06T12:41:10Z 2008 Helium-3 - based fusion plasma / S.V. Ryzhkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 61-63. — Бібліогр.: 14 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.55.Lf. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110786 The experimental devices and conceptual designs of the field-reversed configuration (FRC), tandem mirror and spheromak as best solution for the low radioactive plasma, namely helium-3 based fusion plasma, are reviewed. Reactor schemes based on D-³He-⁶Li fuel with the possibility of ³He mining on the Earth and Moon, including breeding and support reactors are proposed. 3He acquisition, some estimation and resources are presented. Applications of D-³He reactions and advanced-fueled alternative systems are discussed. Розглянуто експериментальні установки зверненої магнітної конфігурації (FRC) і сферомак, що складають клас магнітних систем, названий “компактний тор”, і дзеркальні пастки, як найбільш перспективні і, у той же час, надійні і прості кандидати як термоядерні реактори з поліпшеним паливом. Представлено реакторні схеми з комбінованим D-³He-⁶Li паливним циклом з можливістю одержання гелію-3 на Землі, включаючи реактори-брідери, і накопичення ³He у результаті побічних реакцій, а також з урахуванням місячного гелію. Показано розрахунки вартості He-3 при одержанні його з природного газу, а також історія питання і повна й енергетична ціна гелію-3. Обговорено концепцію електростанції з малонейтронним паливом і різні додатки малорадіоактивної плазми на основі гелію-3. Рассмотрены экспериментальные установки обращенной магнитной конфигурации (FRC) и сферомак, составляющие класс магнитных систем, называемый “компактный тор”, и зеркальные ловушки, как наиболее перспективные и, в то же время, надежные и простые кандидаты в качестве термоядерных реакторов с улучшенным топливом. Представлены реакторные схемы с комбинированным D-³He-⁶Li топливным циклом с возможностью получения гелия-3 на Земле, включая реакторы-бридеры, и накопления ³He в результате побочных реакций, а также с учетом лунного гелия. Показаны расчеты стоимости He-3 при получении его из природного газа, а также история вопроса и полная и энергетическая цена гелия-3. Обсуждены концепция электростанции с малонейтронным топливом и различные приложения малорадиоактивной плазмы на основе гелия-3. The research was supported in part by the Grant of the President of the Russian Federation (№ МК-676.2008.8) and Russian Foundation for Basic Research (RFBR or RFFI) Grant № 08-08-00459. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Iter and fusion reactor aspects Helium-3 - based fusion plasma Термоядерна плазма на основі гелію-3 Термоядерная плазма на основе гелия-3 Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Helium-3 - based fusion plasma |
| spellingShingle |
Helium-3 - based fusion plasma Ryzhkov, S.V. Iter and fusion reactor aspects |
| title_short |
Helium-3 - based fusion plasma |
| title_full |
Helium-3 - based fusion plasma |
| title_fullStr |
Helium-3 - based fusion plasma |
| title_full_unstemmed |
Helium-3 - based fusion plasma |
| title_sort |
helium-3 - based fusion plasma |
| author |
Ryzhkov, S.V. |
| author_facet |
Ryzhkov, S.V. |
| topic |
Iter and fusion reactor aspects |
| topic_facet |
Iter and fusion reactor aspects |
| publishDate |
2008 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Термоядерна плазма на основі гелію-3 Термоядерная плазма на основе гелия-3 |
| description |
The experimental devices and conceptual designs of the field-reversed configuration (FRC), tandem mirror and spheromak as best solution for the low radioactive plasma, namely helium-3 based fusion plasma, are reviewed. Reactor schemes based on D-³He-⁶Li fuel with the possibility of ³He mining on the Earth and Moon, including breeding and support reactors are proposed. 3He acquisition, some estimation and resources are presented. Applications of D-³He reactions and advanced-fueled alternative systems are discussed.
Розглянуто експериментальні установки зверненої магнітної конфігурації (FRC) і сферомак, що складають клас магнітних систем, названий “компактний тор”, і дзеркальні пастки, як найбільш перспективні і, у той же час, надійні і прості кандидати як термоядерні реактори з поліпшеним паливом. Представлено реакторні схеми з комбінованим D-³He-⁶Li паливним циклом з можливістю одержання гелію-3 на Землі, включаючи реактори-брідери, і накопичення ³He у результаті побічних реакцій, а також з урахуванням місячного гелію. Показано розрахунки вартості He-3 при одержанні його з природного газу, а також історія питання і повна й енергетична ціна гелію-3. Обговорено концепцію електростанції з малонейтронним паливом і різні додатки малорадіоактивної плазми на основі гелію-3.
Рассмотрены экспериментальные установки обращенной магнитной конфигурации (FRC) и сферомак, составляющие класс магнитных систем, называемый “компактный тор”, и зеркальные ловушки, как наиболее перспективные и, в то же время, надежные и простые кандидаты в качестве термоядерных реакторов с улучшенным топливом. Представлены реакторные схемы с комбинированным D-³He-⁶Li топливным циклом с возможностью получения гелия-3 на Земле, включая реакторы-бридеры, и накопления ³He в результате побочных реакций, а также с учетом лунного гелия. Показаны расчеты стоимости He-3 при получении его из природного газа, а также история вопроса и полная и энергетическая цена гелия-3. Обсуждены концепция электростанции с малонейтронным топливом и различные приложения малорадиоактивной плазмы на основе гелия-3.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110786 |
| citation_txt |
Helium-3 - based fusion plasma / S.V. Ryzhkov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 61-63. — Бібліогр.: 14 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT ryzhkovsv helium3basedfusionplasma AT ryzhkovsv termoâdernaplazmanaosnovígelíû3 AT ryzhkovsv termoâdernaâplazmanaosnovegeliâ3 |
| first_indexed |
2025-11-25T23:52:45Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:52:45Z |
| _version_ |
1850588800395247616 |
| fulltext |
HELIUM-3 - BASED FUSION PLASMA
S.V. Ryzhkov
Bauman Moscow State Technical University, 105005 Moscow, Russia,
E-mail: ryzhkov@power.bmstu.ru
The experimental devices and conceptual designs of the field-reversed configuration (FRC), tandem mirror and
spheromak as best solution for the low radioactive plasma, namely helium-3 based fusion plasma, are reviewed. Reactor
schemes based on D-3He-6Li fuel with the possibility of 3He mining on the Earth and Moon, including breeding and
support reactors are proposed. 3He acquisition, some estimation and resources are presented. Applications of D-3He
reactions and advanced-fueled alternative systems are discussed.
PACS: 52.55.Lf.
INTRODUCTION
The most important technological advantages (blanket
absence and possibility of using of the liquid first wall
and direct conversion system) of power plant based on
compact systems [1,2] – alternative scheme with low
radioactive fuel [3-5] – in comparison with tokamak and
other magnetic systems burning conventional D-T fuel are
essential.
Thetа-pinch, spheromaks merging and rotating
magnetic field formation of FRCs [6-9] has been used
successfully in previous experiments, but it extrapolates
poorly to the fusion regime. Viable FRC startup and
sustainment methods with reasonable input powers are
being sought. Schematic D-3He–fueled compact system is
shown in Fig.1, where the separatrix has prolate shape
and the plasma has the form of elongated quasi
equilibrium.
Experimental plasma parameters for compact and
linear machines (both with open filed lines) ranges:
average beta <β>~5 – 95%, electron temperature
Te ~ 0.02 - 4 keV, electron density ne ~ 1016 - 1022 m-3,
energy confinement time τE ~ 0.01 – 2 ms, external
magnetic field Be~0.005 – 15 T, ion temperature
Ti~ 0.03 – 10 keV, length ls~ 0.2 - 12 m, radius
rs~ 0.01- 0.5 m.
Fig.1. D-3He field reversed configuration – prolate
equilibrium with low radioactive fuel
EXPERIMENTAL AND FUSION
PARAMETERS
Main experimental devices that can be used as D-3He
burn - compact tori as FRC and spheromak and open
confinement system as tandem mirror - are shown in the
Table. Some of experiments may be extrapolate to fusion
regime. The name of Institute, Lab and University and the
main functions and properties are indicated opposite the
each device. The possibility of controlled fusion in a FRC
using D-3He fuel (Ti ~ 50 keV, ni ~ 1021 m-3) is evident.
High beta (the plasma to field energy density ratio)
magnetic system burn D-3He fuel is the best candidate for
the fusion reactor.
Principal FRC, Mirror Trap and Spheromak experiments
FRC: Linear Machine: Spheromak:
CBFR – UC,
Irvine, p-11B
AMBAL-M -
Budker Institute
BCTX – UC
Berkeley, heat
FIREX - Cornell,
Munsat/Boulder
- Colorado U.
CLM –
Columbia
University
BSX, CT
injection,
Caltech
FIX – Osaka U.,
Stability, RMF
GAMMA 10 –
PRC,U.Tsukuba
HIT-CT –
Himeji, Japan
NUCTE-3 –
Nihon University,
theta-pinch facilit
MAP-II – U.
Tokyo,
Hanyang
CTIX – UC
Davis,
acceleration
FRX-L – LANL,
MIF/MTF high
density
GDT, SHIP –
BINP, LLNL,
refueling
HIT-SI – U.
Washington
new formation
KT, BN, TOR –
TRINITI,
compression
GOL-3
Multiple Mirror
Trap – Budker
SPHEX –
UMIST, pf,
toroidal field
Lebedev Physical
Institute RAS
FLM - Uppsala
University
SSPX– LLNL,
confinement
MRX –
Princeton, oblate
flux-conserver
HANBIT
Device – KBSI
SSSX, multi-
probe
reconnection
TCSU, STX – U.
Washington
RMF, T, flux
MultiCusp
Trap –
Kurchatov Inst.
TS-3,4 –
Tokyo Univ.,
FRC, other TC
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 6. 61
Series: Plasma Physics (14), p. 61-63.
3He ACTIVITIES
First analysis of D-3He low radioactive systems and
research on helium-3 resources have been started by
I.N. Golovin [10] in USSR, H. Momota [11] in Japan and
G.L. Kulcinski [12] in USA in the 1980th. Most of
conceptual designs [7,11] on the D-3He fuel assumed
helium-3 from the Moon. Helium-3 supply on the Earth is
just for couple years energy at full 3He extraction from the
atmosphere and underground gas [8] if we assume D-3He
thermonuclear power plant. Such situation may be
improved by reactor schemes using catalyzed cycles and
fusion cycles with 3He getting in additional reactors
(shown in Fig.2). 3He has been produced in the auxiliary
reactor and the part of the fusion power going to support
the p-6Li reaction: 1) D-3He fusion power plant and self-
sufficiency of helium-3 ; 2) Main reactor with D-3He-6Li
mixture. This is a hybrid system - amplification factor is
less than in the first case and part of 3He will be delivered
from the Moon. The third scheme (not shown here)
assumed lunar helium-3.
If it is necessary 3He will be produced on the Moon.
Lunar soil [12], which contained desired isotope, covers the
Moon (sea richer of helium, than highlands). History of
helium-3 in brief: 1st Lunar Development Symposium,
Atlantic City, 22 - 24 September 1986; 1st Wisconsin
Symposium on Helium-3 and Fusion Power, 21 - 22 August
1990, Madison; US-USSR Workshop on D-3He Reactor
Studies, 25 September – 2 October 1991, Moscow; 2nd
Wisconsin Symposium on Helium-3 and Fusion Power,
19-21 July 1993, Madison. The International Lunar
Exploration Working Group (ILEWG) is a public forum
created in 1994. The last 9th International Conference on
Exploration and Utilisation of the Moon (ICEUM9) held
22 - 26 October 2007 in Sorrento.
Fig.2. D-3He-6Li fuel fusion cycles.
Scheme at the top shows main reactions, at the bottom -
auxiliary reactions, small sigma*v and cross section for
the reactions in the last box 2 stages reactor
with 3He recovery
The price of helium and helium-3 is the separate
question. Chemical-grade (99.9% pure) Helium-3 from
ISOTEC Inc., Matheson company, Miamisburg, OH,
USA (http://www.isotec.com/) now costs $220/liter.
So, the recent price is $1100/5l for 3He, liquid 4He ~
$5/kg, gas 3He ~ 1.64M$/kg ($1.64 billion a ton).
The abundance of helium on the Earth are estimated
as 3·1010 m3. In the crust, the concentration of He is in 200
bigger than in the atmosphere. Russian Federation total
deep-laid gas estimated as ~ 48 · 1012 m3 (1680 · 1012 f3).
East Siberia, Yakutia have resources of natural gas [13] ~
30 · 1012 m3 (helium-rich >0.5%).
Moon: ~ 1000 million tones (regolith). Uranium:
3He/4He = 1/3000, Jupiter: 1020 t (atmosphere), Saturn +
asteroids + comets (asteroids more rich of helium-3).
Estimation for the two reactions
3He(3He,pp)4He+12860 and 3He(d,p)4He+18353:
3He-3He reaction has reaction energy 12.86 MeV
(2.06· 10-12 J). 1 gram ~ 2· 1023 particles of helium-3. 1 ton
of 3He: (12.86 ·106) x (1.6 ·10-19) x (2·1029) = 20.6·1016 J of
heat energy. I.е., 1 t of 3He is equivalent to 5.4 million
tons of oil!
D-3He – 18.36 MeV. 1 ton of 3He: (18.36·106) x
(1.6·10-19) x (2·1029) = 59·1016 J of thermal energy. Onе
ton of 3He ~ 15.5 million tons of oil!
Oil costs ~ $100/bar. Urals (main Russian brand)
coefficient ~ 7.28 bar/t. 1 oil ton costs 728$.
At one billion dollars a t, the energy cost of 3He is
equivalent to oil at ~ $9 per barrel! We can go up to $10
billion/t for helium-3 from the Moon!
Even, for Wittenberg figures [12] (7·10-10 for 3He
Volume Fraction in natural gas) we have:
Just for Siberia (30 ·1012) х (7 ·10-10) = 21· 103 m3 of
3He 2.8· 103 kg, i.е. 2.8 t !
Irkutsk region (He reserve in 2025) ~ 30·106 m3.
World: (27.8·109) х (1.4·10-6) x 0.134 = 5.2 t of 3He !!!
It’s enough even for Demo reactor. To cover the energy
supply of one country (taking into account 20 percent of
usage thermonuclear reactors of general part) 10 tones per
year of helium-3 is required and enough for Russia. Other
countries also have helium (reserve and resource): US +
Algeria + Canada + Japan (Niigata basin – 3He/4He higher
ratio) + China + Australia.
Approximate power inputs on helium detachment (low
temperature separation or produced rectification) from
gases contained 0.02; 0.05; 0.5% He - 250, 100 and
10 kW·h/m3.
Applications of helium-3 based plasma [14] unlimited
and may lead to new era in medicine and space
propulsion. Near term – proton source and medical
isotope production, cancer therapy, FRC fueler for
tokamak design, detection of explosives and chemical
wastes. 18O + p → n + 18F; 94Mo + p → n + 94mTc; 14N +
p → 4He + 11C; 16O + p → 4He + 13N; 13C + p → n + 13N;
15N + p → n + 15O. Mid term – destruction of fissile
62
http://www.isotec.com/
material and radioactive wastes, material and technology
issues, including thick liquid walled commercial power
plant (low recycling/ wall pumping).
CONCLUSIONS
Aneutronic/ low radioactive fuel is the way to clean
and cheap energy in the future. An alternative fueling
scheme using accelerated compact-toroids (CT) – FRC or
sheromak injection - may be applied for the reactor based
on any magnetic confinement system. Even more, any
fusion concepts, including magneto inertial fusion
(MIF)/magnetized target fusion (MTF) might use
advantages of D-3He fuel. Examples of the subsidiary
reactor for the D-3He-6Li fuel cycle: breeder, polarized
beams, plasma accelerator, colliding beam, also are open
for discussion.
ACKNOWLEDGEMENT
The research was supported in part by the Grant of the
President of the Russian Federation (№ МК-676.2008.8)
and Russian Foundation for Basic Research (RFBR or
RFFI) Grant № 08-08-00459.
REFERENCES
1. G.H. Miley. Compact tori for alternate fuel fusion//
Nuclear Instruments and Methods. 1983, v. 207, p.
111-120.
2. S. Woodruff. Technical survey of simply connected
compact tori (CTs): Spheromaks, FRCs and
compression schemes// J. Fusion Energy. 2008, v.
27, p. 134-148.
3. V.I. Khvesyuk, S.V. Ryzhkov. Analysis of D-3He-6Li
Fuel Cycle// Summary of IAEA-TCM, Pleasanton,
California, USA, 20-23 October, 1997.
4. V.I. Khvesyuk, A.Yu. Chirkov Low-radioactivity D–
3He fusion fuel cycles with 3He production// Plasma
Phys. Control. Fusion. 2002, v. 44, N2, p. 253–260.
5. S.V. Ryzhkov. Thermal-physical analysis of low-
radioactive thermonuclear plasma in the magnetic
fusion device// Problems of Atomic Science and
Technology. Series “Plasma physics” (13). 2007, N1,
p. 9-11.
6. J.F. Santarius, E.A. Mogahed et. al. Final report for
the field-reversed configuration power plant critical-
issue scoping study // Report UWFDM-1129.
Madison. Fusion Technology Institute, 2000.
7. V.I. Khvesyuk, S.V. Ryzhkov, J.F. Santarius et. al.
D-3He Field-Reversed Configuration Fusion Power
Plants// Fusion Technol. 2001, v. 39 (1T), p. 410-
413.
8. S.V. Ryzhkov. Features of formation, confinement
and stability of the field reversed configuration//
Problems of Atomic Science and Technology. Series
“Plasma physics” (7). 2002, N4, p. 73-75.
9. A.L. Hoffman. FRCs (and RMF CD)// Course
AA559, University of Washington, 2007.
10.I.N. Golovin, V.V. Kostenko, V.I. Khvesyuk,
N.V. Shabrov // Pis’ma Zh. Teor. Fiz. 1988, v. 14,
p. 1860 (in Russian).
11.H. Momota, A. Ishida, et. al. Conceptual design of D-
3He FRC reactor ARTEMIS// Fusion Technol. 1992,
v. 21, p. 2307-2323.
12.L.J. Wittenberg, J.F. Santarius, G.L. Kulcinski. Lunar
source of 3He for commercial fusion power// Fusion
Technol. 1986, v. 10, p. 167.
13.V.P. Timoshilov. Gas of the Russian East: in
expectation of determining decisions// Oil & Gas
vertical. 2006, v. 7, p. 24-27.
14.S.V. Ryzhkov. Modeling and engineering
applications for weakly turbulent plasma// Proc. of
the 35th Conf. on Plasma Physics, Hersonissos 9-13
June, 2008/ ECA 32, P1.114.
Article received 30.09.08.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ ПЛАЗМА НА ОСНОВЕ ГЕЛИЯ-3
С.В. Рыжков
Рассмотрены экспериментальные установки обращенной магнитной конфигурации (FRC) и сферомак,
составляющие класс магнитных систем, называемый “компактный тор”, и зеркальные ловушки, как наиболее
перспективные и, в то же время, надежные и простые кандидаты в качестве термоядерных реакторов с
улучшенным топливом. Представлены реакторные схемы с комбинированным D-3He-6Li топливным циклом с
возможностью получения гелия-3 на Земле, включая реакторы-бридеры, и накопления 3He в результате
побочных реакций, а также с учетом лунного гелия. Показаны расчеты стоимости He-3 при получении его из
природного газа, а также история вопроса и полная и энергетическая цена гелия-3. Обсуждены концепция
электростанции с малонейтронным топливом и различные приложения малорадиоактивной плазмы на основе
гелия-3.
ТЕРМОЯДЕРНА ПЛАЗМА НА ОСНОВІ ГЕЛІЮ-3
С.В. Рижков
Розглянуто експериментальні установки зверненої магнітної конфігурації (FRC) і сферомак, що складають
клас магнітних систем, названий “компактний тор”, і дзеркальні пастки, як найбільш перспективні і, у той же
час, надійні і прості кандидати як термоядерні реактори з поліпшеним паливом. Представлено реакторні схеми
з комбінованим D-3He-6Li паливним циклом з можливістю одержання гелію-3 на Землі, включаючи реактори-
брідери, і накопичення 3He у результаті побічних реакцій, а також з урахуванням місячного гелію. Показано
розрахунки вартості He-3 при одержанні його з природного газу, а також історія питання і повна й енергетична
ціна гелію-3. Обговорено концепцію електростанції з малонейтронним паливом і різні додатки
малорадіоактивної плазми на основі гелію-3.
63
INTRODUCTION
|