?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry


Разрез реактора управляемого термоядерного синтеза "Диномак"

Коварство физики плазмы и те параметры, которые нужны для получения термоядерной энергии с одной стороны приводят к фактически застывшим в своей титанической поступи токамакам, а с другой - к массам шарлатанов, обещающим легкий объездной путь. Или даже не шарлатанов, а просто людей, истово верящих, что природа не может быть так несправедлива. Десятки коллективов по всему миру пытаются найти что-то в физике плазмы, какую-то новую конфигурацию, которая даст внезапный легкий доступ к термоядерной энергии
Однако статистика неумолима - никто не смог приблизится ближе 1/1000 успехов токамакостроителей, а научные журналы хранят в себе след десятков неудачных идей и концептов термоядерных реакторов. Десятилетия постоянных похорон “новичков” привили привычное скептическое отношение к пиарищимся новичкам.

Тем не менее, существует одна концепция, родившаяся за последние несколько лет, которая пробуждает скромную надежду на внезапное нахождение более легкого пути.




Предыдущий вариант установки - HIT-SI

Итак, речь идет о идее реактора «Диномак», выдвинутой исследователями Thomas Jarboe, Derek Sutherland и д.р., работающих в University of Washington. Идея, о которой чуть ниже, базируется на довольно свежем экспериментальном открытии в физике плазмы. Исследуя (не одно десятилетие, надо заметить) плазменные системы с искусственно созданными вихрями, где-то на стыке магнитного конфаймента и FRC-систем (очень модных в 90х-2000х годах) Thomas Jarboe получил грант на создание HIT-SI, маленькой ловушки с конфигурацией похожей на токомак или тета-пинч, в которой отсутвуют тороидальные катушки, а тороидальное поле создается путем возбуждения тороидального же тока в самой плазме.


Томас на фоне своей плазменной ловушки.

В принципе динамическое (т.е. создаваемое в самой плазме) тороидальное поле более дает более устойчивый к нестабильностям конфаймент, и это придавало перспективности всей теме разработки. Для возбуждения тока использовались не стандартные для токамаков NBI или ECRH, а специальные, как называет их сам Томас helicity injectors - небольшие каналы, в которых отводится часть плазмы и магнитным путем создается поток (принцип, схожий с МГД-насосами, но не до конца). И тут улыбка судьбы - оказалось, что ток в основном плазменном шнуре, созданный таким образом получается в разы больше, чем инжектируется из helicity injector’a. Механизм усиления тороидального тока был назван imposed dynamo current drive (ICDC).


Слева - сама ловушка HIT-SI c двумя H-инжекторами сверху и снизу, в центре линии тока в плазме, где видно, как H-инжектор возбуждает тороидальный ток, справа - магнитное поле в ловушке

В этот момент все концептуальные детали реактора “Диномак” собрались в целое:
- Плазменный шнур удерживается тороидальным током, наводимым с помощью механизма динамо инжекторами. Тороидальное поле рождается гораздо ближе к плазменному ядру, где идут реакции, а значит нам нужен меньший общий ток, чем в случае далеко отнесенных сверхпроводящих тороидальных магнитов классического токамака.

- Такое удержание позволяет поднять отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (т.е. бетта), а значит повысить плотность плазмы и мощность ее энерговыделения. Многогигаваттный реактор становится меньше 500 мегаваттного ИТЭР

- Отсутствие тороидальных катушек и центрального соленоида резко упрощают и удешевляют реактор.

-Возбуждение тока helicity injector’ами гораздо эффективнее с т.з. преобразования сетевого электричества в ток плазмы, чем у традиционных средств - кпд 80% против 30%, а так же позволяет возможно полностью отказаться от систем дополнительного нагрева плазмы.


2015-06-20 10-59-21 Скриншот экрана.png
Магнитные поля в "Диномаке". Значения сравнимы с полоидальными катушками ИТЭР.

Последний пункт позволяет решить еще один бич проектов ТЯР на базе токамаков - большая доля электроэнергии, вырабатываемой реактором уходит на поддержание работы самого реактора/

В итоге, облик реактора получается следующим:


2015-06-20 10-52-48 Скриншот экрана.png
Медная камера окружена зелено-голубым бланкетом, светлозеленым нейтронным экраном из ZrH2, синими полоидальными сверхпроводящими катушками. Сверху и снизу расположены системы откачки.

Тороидальная камера диаметром 13 и высотой примерно 5 метров из меди окружена бланкетом, в котором прокачивается расплавленная смесь фторидов лития-беррилия, хорошо известная термоядерщикам как FLiBe, которая превращает нейтронный поток от реактора в тритий с коэффициентом 1.1 атом трития на один нейтрон (что замыкает топливный цикл по тритию). FLiBe так же работает теплоносителем, забирая 2,5 гигаватта термоядерной энергии и передавая ее на второй контур на основе сверхкритичного СО2. Турбогенераторы дают 1000 мегаватт электрической энергии, сетевой выход из которых составит примерно 900.


FLiBe. На самом деле она прозрачна, а здесь подкрашена фторидом урана.

Реактор окружен полоидальными катушками из ВТСП YCBO, что позволяет ограничится охлаждением жидким азотом. Кроме того, медные катушки создают необходимые поля в 6 helicity injector’ах, расположенных по экватору Диномака. Мощность, инжектируемая ими в плазму составляет 58 мегаватт и это вся греющая мощность, которая есть. Таким образом соотношение получаемой термоядерной энергии к затрачиваемой составляет Q=33 всего и Q=9,5 с учетом расхода энергии другими устройствами и кпд турбогенераторов.

2015-06-20 11-09-03 Скриншот экрана.png
Электромагнитная система Helicity Injector'a.

Оценка стоимости, проведенная исследователями, дает 2,7 миллиарда долларов, что сравнимо по удельным затратам с угольными электростанциями и лучше атомных. Учитывая, фактически, близкие к нулю топливные расходы такой установки, цифры получаются интересные.


Ближайшая цель разработки - довольно приличная по параметрам ловушка, в которой можно подтвердить концепцию Диномака.

Разумеется, инженерная проработка тут не тянет даже на эскизный проект, а многие оценки скорее всего оптимистичны и наивны. Однако за последние годы это первый проект, натяжки которого от лаборатории к энергетическому реактору минимальны и подтверждены хорошими экспериментальными результатами. Команда Университета Вашингтона подготовила исследовательскую траекторию, которая позволит убедится, что найденные эффекты и закономерности работают и в большем масштабе. Буквально через несколько лет можно будет сделать вывод о реалистичности концепции Диномака, который вполне может перечеркнуть судьбу всех остальных термоядерных реакторов.

Comments

( 61 comments — Leave a comment )
gray_bird
Jun. 20th, 2015 09:27 am (UTC)
Интересно.
Только, к сожалению, из статьи непонятно, что в реальности получили на экспериментальной установке?
tnenergy
Jun. 20th, 2015 09:32 am (UTC)
Открыли увеличение тороидального тока в плазме к инжектируемому H-инжекторами в 3 раза, назвали этот механизм ICDC. Если его правильно понимают, то можно на его базе будет построить Диномак.
(no subject) - gray_bird - Jun. 20th, 2015 10:05 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 20th, 2015 10:16 am (UTC) - Expand
(no subject) - gray_bird - Jun. 20th, 2015 10:48 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 20th, 2015 10:59 am (UTC) - Expand
(no subject) - gray_bird - Jun. 20th, 2015 11:05 am (UTC) - Expand
kincajou
Jun. 20th, 2015 10:53 am (UTC)
а как же стеллараторы? это ведь не токамаки, но разве это тупиковый путь?
tnenergy
Jun. 20th, 2015 11:04 am (UTC)
Ни токамаки, ни стеллаторы не являются тупиковым путем - в них вполне можно получать термоядерную энергию. Только невыгодно: слишком запредельно сложны получаются такие ТЯЭС.

Если сравнить между собой стеллаторы и токамаки, то можно увидеть, что первые слегка проще в плане размеров, но чудовищно сложнее в плане изготовления и у них больше потерь тепла. Посмотрите на геометрию самого продвинутого стеллатора W-7X и попробуйте представить, что сюда еще надо воткнуть бланкет и вообще нейтронные экраны, систему отвода тепла и т.п.

2015 04 19 14 15 47 Скриншот экрана


Edited at 2015-06-20 11:05 am (UTC)
(no subject) - kincajou - Jun. 20th, 2015 11:25 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 20th, 2015 12:00 pm (UTC) - Expand
(no subject) - kincajou - Jun. 20th, 2015 12:36 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 20th, 2015 01:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - john_jack - Jul. 6th, 2015 07:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - kincajou - Jun. 20th, 2015 12:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - non reckless - Jun. 20th, 2015 05:29 pm (UTC) - Expand
(no subject) - kincajou - Jun. 21st, 2015 02:50 am (UTC) - Expand
(no subject) - rbs_vader - Jun. 20th, 2015 09:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 20th, 2015 09:46 pm (UTC) - Expand
koen_lisane
Jun. 20th, 2015 06:31 pm (UTC)
Интересная тема, я еще их статью нашла: http://www.researchgate.net/publication/230563086_Recent_results_from_the_HIT-SI_experiment
Но сходу разобраться в устройстве новой установки и обсуждать ее плюсы и минусы - это очень сложно. Даже чтобы токамак обсуждать нужно не один год учиться, а тут конфигурация токов еще сложнее.
По-моему, основной проблемой для крупной установки могут стать разнообразные неустойчивости - эта проблема очень общая для всех плазменных установок.
Еще не очень понятно, как устроено взаимодействие плазмы со стенкой в существующем эксперименте и какое там Zeff.
tnenergy
Jun. 20th, 2015 07:00 pm (UTC)
Да, у меня в основном вызывает удивление перменный ток тороидального поля - как у них конфаймент не разваливается? Есть еще такая вот обзорная статья по Диномаку, там куча ссылок на плазменные механизмы
(no subject) - koen_lisane - Jun. 20th, 2015 07:21 pm (UTC) - Expand
bari_x_andrew
Jun. 20th, 2015 06:38 pm (UTC)
Беда в том, что какой-бы ни был реактор, вкачивая в плазму энергию, Вы всегда увеличиваете ее нестабильность... Я занимался разными ТЯР еще в 80-х, "а воз и ныне там". И зачем биться головой в стену, когда любое облако над головой эквивалентно блоку ТЯР? http://airhes.com
tnenergy
Jun. 21st, 2015 09:40 am (UTC)
>Я занимался разными ТЯР еще в 80-х, "а воз и ныне там".

Воз там, потому что нет экономического смысла, а не потому что есть какие-то принципиально нерешаемые трудности.

>И зачем биться головой в стену, когда любое облако над головой эквивалентно блоку ТЯР? http://airhes.com

По вашей ссылке не видно нормальной инженерии, так, прикидки, к которым сразу хочется задать вопросы (например, как будет выглядеть водоводная трубка от аэростата, выдерживающая 200 атмосфер внизу? Какой кпд будет у гидротурбины, работающей на напоре 200 атм. и расходе 11 грамм в секунду, теоретическая мощность 245 ватт? По расчетам ребят кпд они поставили 400-600% (20-30 кВт*ч с 1 куба воды в сутки).

(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 21st, 2015 11:25 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 12:53 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 22nd, 2015 01:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 01:47 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 22nd, 2015 02:02 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tr1gger - Jun. 23rd, 2015 01:09 am (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 23rd, 2015 06:06 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 12:59 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 22nd, 2015 01:45 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 01:58 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 22nd, 2015 02:10 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 02:20 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 22nd, 2015 02:43 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 04:29 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 22nd, 2015 04:51 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 05:03 pm (UTC) - Expand
(no subject) - shaitan_bashka - Jun. 30th, 2015 06:10 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jun. 30th, 2015 07:00 pm (UTC) - Expand
(no subject) - amginskiy - Jul. 5th, 2015 05:00 am (UTC) - Expand
(no subject) - john_jack - Jul. 6th, 2015 07:50 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jul. 6th, 2015 08:51 pm (UTC) - Expand
(no subject) - john_jack - Jul. 6th, 2015 09:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jul. 6th, 2015 09:52 pm (UTC) - Expand
(no subject) - john_jack - Jul. 7th, 2015 09:17 am (UTC) - Expand
(no subject) - bari_x_andrew - Jul. 7th, 2015 01:56 pm (UTC) - Expand
(no subject) - john_jack - Jul. 7th, 2015 11:53 pm (UTC) - Expand
(no subject) - siron_nsk - Jun. 22nd, 2015 12:39 pm (UTC) - Expand
thrasymedes
Jun. 20th, 2015 06:53 pm (UTC)
Плазма настолько хитра, что расчет большого реактора Диномак ненадежен, надо строить реальные установки ?
simsun
Jun. 21st, 2015 08:35 am (UTC)
Плазма как и девушка - женского рода... непостоянна и очень подвижна :)

Edited at 2015-06-21 08:36 am (UTC)
tnenergy
Jun. 21st, 2015 09:03 am (UTC)
Скажем так - самое последние достижения расчетчиков позволяют воспроизводить тонкости поведения плазмы хорошо изученных установок, тех же токамаков. Но при этом электроны учитываются эмпирически, а не из первых принципов - т.к. они слишком быстро движутся и взаимодействия у них на слишком мелких масштабах.

Т.е. расчетам плазмы еще далеко до прочностных или гидродинамических по предсказательной силе.
(no subject) - thrasymedes - Jun. 21st, 2015 11:22 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jun. 22nd, 2015 01:40 pm (UTC) - Expand
tr1gger
Jun. 23rd, 2015 01:11 am (UTC)
А что вы думаете о fusion проекте Skunk Works: http://aviationweek.com/technology/skunk-works-reveals-compact-fusion-reactor-details ?
tr1gger
Jun. 23rd, 2015 01:13 am (UTC)
А что вы думаете о fusion проекте Skunk Works: aviationweek точка com/technology/skunk-works-reveals-compact-fusion-reactor-details ?
(ссылки автоматом помечаются как спам согласно настройкам вашего журнала)
tnenergy
Jun. 23rd, 2015 06:37 am (UTC)
Как-то писал уже:

"Сложно сказать, они льют очень много пиара и раскрывают очень мало информации. То что раскрыто в патенте - скорее неработоспособно (известная конструкция пробкотрона с внутренними каспами, ими много занимался в СССР Морозов). Есть шанс в 1%, что там что-то скрывается, но даже если так, по железу видно, что до промышленных реакторов там больше 10 лет (железо расчитано на килоджоули, а не на 100 мегаватт).

Вообще в США много таких команд, которые в свое время тоже громко пиарились (General Fusion, Helion Energy, Tri Alpha - это только то, что сразу вспоминается). С другой стороны - серьезная базовая контора."
amginskiy
Jul. 5th, 2015 05:07 am (UTC)
Три альфа недавно заявила, что ей удалось удержать плазму до 5 мс при помощи FRC.
(no subject) - tnenergy - Jul. 5th, 2015 08:34 am (UTC) - Expand
( 61 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
Powered by LiveJournal.com