?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

В продолжение первой части - тоже слайды, но менее сосредоточенные на текущем мейнтриме, и больше обсуждающие всякие концепции, проблемы, детали.

Итак, начнем с презентации увешенного регалиями Robert Hirsch, некогда даже возглавлявшего термоядерную энергетическую программу США. Он пробует оценить шансы токамаков, базирующихся на дизайне ИТЭР (прежде всего DEMO и ARIES) с точки зрения экономики.


ИТЭР более чем в 60 раз превосходит по массе сравнимый реактор деления AP-600 (на самом деле все еще хуже, по тепловой мощности AP-600 почти в 4 раза больше ИТЭР - tnenergy). ИТЭРоподобный УТС выглядит катастрофично более дорогим, чем реакторы деления.



Радости не добавляет очень долгое вхождение в рабочий режим - после квенча (потери сверхпроводимости) магнитов токамака EAST 18 дней заняло захолаживание этих магнитов обратно. Для ИТЭР эта цифра может вырасти до 30 дней (на самом деле нет - разработчики ИТЭР считают, что возврат к холодному состоянию после квенча возможен за сутки). 60 дней, которые занимает заморозка-разморозка магнитов может очень негативно влиять на КИУМ и экономику реактора.


Магнитная система ИТЭР запасает 47 гигаджоулей энергии, что эквивалентно 11,5 тоннам тротила - эта энергия будет большим препятсвием при получении лицензии на ядерную установку.

Срывы плазмы, которые могут приводить к повреждению машины остаются нерешенной проблемой. Срывы контролируются активными системами, которые могут отказать. Атомнадзоры будут фокусироваться на этих отказах, требуя дублирования защит.


Радиоактивные отходы. Если просто масштабировать ИТЭР до энергетической системы, то бланкет понадобится менять раз в три года (спорное заявление), а значит термоядерная электростанция будет производить вчетверо больше радиоактивных отходов, чем АЭС. Хотя радиотоксичность и время хранения этих отходов сильно меньше, проблема существует. Напомню, что я разбирал этот вопрос.

У линии ИТЭР нет шансов на коммерциализацию. Нужны другие машины, ориентирующиеся на другие принципы. (на мой взгляд упоминание p + B11 с его невысоким Q и запредельными требованиями по температуре ставит крест на УТС в принципе)

Вот такая разгромная презентация. Хотя тут есть перегибы, она поднимает тему, по которой не принято говорить в домах управляемого термоядерного синтеза. Что же делать? Бросать все, и садиться думать, как предлагает Хирш? Сообщество разработчиков видит ответ в эволюционном развитии. Начнем с самого консервативного варианта, предлагаемого британским стартапом Tokamak Energy


В распоряжении англичан небольшой токамак, с радиусом плазменного шнура всего 25 см, в основном для проверки их концепции магнитной системы. При этом ориентир развития - сферический токамак с тонко настроенными параметрами плазмы диаметром 3 и высотой 5 метров, способный вырабатывать на D+T реакции 180 тепловых мегаватт (треть от ИТЭР при весе в 1/100).


Кроме неких улучшений в параметрах плазмы (выше бетта и выше значение конфаймента H-mode) улучшение удельных параметров должно получится за счет высокотемпературных сверхпроводников. Именно на этой теме сейчас идут эксперименты (кадр выше). Разработчикам Tokamak Energy они представляются более высокопараметрическими и более простыми с т.з. криогеники.


Например используя косвенное охлаждение и довольно несложный криостат удалось добится долговременной работы установки.


Предложение промышленной установки с ВТСП магнитами, имеющей гораздо более высокие удельные характеристики, чем ИТЭР.


Тем не менее в последнем слайде перечислены проблемы, "которые надо решить" и которые при решении вполне могут раздуть установку до неинтересной сложности и дороговизны.

Разумеется, кроме стартаперов с непонятным шансом на реализацию предложения есть и от серьезных центров. Например от лаборатории физики плазмы всемирно известного MIT. Это блистательный проект токамака ARC, о котором я уже писал.



Токамак ARC очень изящно решает сразу ворох проблем линейки ИТЭР. Очевидно, что главная из них - это масштаб, стоимостный и временны, рожденный необходимостью получить большую термоядерную мощность при заданном магнитном поле, ограниченном в свою очередь имеющимися в 90х сверхпроводниками. Малый реактор сравнимой мощности намного бы ускорил скорость разработки УТС.





Мощность зависит от напряженности поля как куб, а плотность мощности - вообще в 4 степени. Давно предлагаются идеи токамаков с высокими полями, но они принципиально импульсные. Но может быть новые сверхпроводники способны обеспечить на необходимой напряженность поля (~10  тесла в шнуре и ~23 тесла в магнитах)?


Да, могут. Реальный экспериментальный магнит (на фото слева сверху) показывает 26,5 тесла, для нового токамака нужно всего лишь отмасштабировать этот магнит в 200 раз :)



Другие проблемы, решаемые дизайном ARC: разборная магнитная система позволяет менять ядерно-повреждаемую часть целиком. Это позволяет уменьшить вакуумную камеру, погрузив ее в жидкосолевой бланкет (а не бланкет внутрь вакуумной камеры). Маленькая камера выполняется зацело на заводе и меняется теперь тоже зацело, что переворачивает ситуацию с ног на голову.


3Д печать возможно решит больной инженерый вопрос токамаков - необходимость отсоединять-подсоединять тысячи труб теплоносителя при смене бланкета и панелей первой стенки. Самый большой вопрос и зона риска - дивертор в этой системе.


Жидкосолевой бланкет видится более простым с точки зрения съема тепла и теплогидравлики. Кстати, о чем не упомянуто на слайдах, но важно сказать: в токамаке ARC предлагается отказаться от сложных и дорогих инжекторов нейтралов и перейти на подогрев и создание неиндуктивного тока с помощью радиочастотных систем - ECRH, ICRH и нижнегибридного резонанса.


Для изучения проблем дивертора предлагается сделать маленький токамак с возможностью широко изменять магнитную конфигурацию в области дивертора, моделируя разные варианты.


Немножко подробностей по схеме разборных тороидальных катушек. Мощная механическая система, более простая температура 20 К (против 4.5 К в ИТЭР), резистивные медные соединения между частями ВТСП проводника.


Механическая прочность - самая серьезная проблема для магнитов такого размера и напряженности поля. Рассчет показывает относительно приемлимые уровни
напряженности корпуса магнита, но запаса нет.

Итак, два проекта собираются решать проблему нерентабельности идей ИТЭР за счет высокотемпературных сверхпроводников. Какого на сегодня состояние этой технологии с точки зрения термоядерщиков?


Высокотемпературные проводники правильнее было бы называть высокопольными. При температуре жидкого гелия деградация значений плотности критического тока в них падает гораздо медленнее, и их рабочие зоны - в сильных полях.



Желтым закрашены рабочие зоны ("напряженность поля-температура") для "старых" сверпроводников, синим - для новых.



Интересно, что в обзор сверхпроводников вошел российский производитель SuperOx. На слайде показаны возможности ВТСП лент по критическому
току на разных температурах. Видно, что при 4.2 К ситуация отличная, при 20 К она продолжает оставаться весьма приличной, выше 40К - весьма сильно деградирует.





Стремительный прогресс ВТСП продолжается, например тут показано повышение характеристик проводника разом в 3-4 (!) раза по критическому току


Рекорд полностью ВТСП магнита при температуре 4.2 К - впечатляющие 26.5 Тесла. Если бы катушки ИТЭР развивали такое поле, то его термоядерная мощность была бы 4 гигаватта.


Разработки соединений ВТСП (что долго было проблемой) тоже достигли технической зрелости - на фото соединение на 100 килоампер с сопротивлением 1.8 наноОма (т.е. с теплопотерями 18 ватт).



Разнообразные проектируемые кабели из ВТСП. Плотности тока сопоставимы с низкотемпературными сверхпроводниками.


Еще один проект кабеля от итальянской ENEA - впечатляющая плотность тока, превосходящая сегодняшние рекорды (и в 35 раз выше, чем у мощных алюминиевых шин, кстати)



Работа по экспериментальной отработки мощных кабелей, магнитов и соединений из ВТСП идет по всему миру. Думаю nick_55 сможет добавить тут профессионального скепсиса, т.к. презентация дана людьми, которым очень нужен успех ВТСП :)



Для затравки - ВТСП сферический токамак (один из вариантов), которым американцы хотят заткнуть дырку между ИТЭР и ДЕМО (позже я сделаю обзор FNSF). Сферические токамаки привлекательны с точки зрения повышения параметров плазмы, но страдают от жестких геометрических ограничений на размер магнитов, и для мощной машины нужно повышать плотность тока за пределы технологии ниобиевых сверхпроводников. ВТСП дают тут новое дыхание. 35.9 Мегаампер на квадратный метр - кстати - в 3.1 раза выше, чем достигнуто в тороидальных катушках ИТЭР.

Наконец еще одна неожиданная презентация от бывшего директора крупнейшего на тот момент токамака D-IIID Thomas Simonen. Про премущества ... российской открытой ловушки типа ГДЛ.


Фактически, речь идет о том же самом - как нам решить проблему экономической эффективности УТС. На западе открытые ловушки забросили еще в начале 80х, так и не сумев побороть неустойчивости плазмы, которые мешали получить высокое давление магнитного поля (ключ к стоимости установки). В ГДЛ эти неустойчивости победить удалось.

Экспериментальное полученное значение бета (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля) в ГДЛ - 0.6 Это в 10 раз лучше, чем в токамаках, а значит для достижения тех же значений нужно в 10 раз (!) меньшее магнитное поле. Конечно в открытой ловушке есть и свои минусы - прежде всего сложности с удержанием плазмы, на то она и открытая...

Пока есть сложности с удержанием электронов, поэтому их средняя температура недостаточно высока. Как мы помним, у новосибирцев есть предложения по доведению идеи открытых ловушек до нужной кондиции

Если на секундочку представить себе, что проблема утечки из открытой ловушки решена, и мы ее сравниваем с токамаком, то перед напи совершенно будет совершенно чудестный по характеристикам агрегат, в сотни раз превосходящий по удельным параметрам ИТЭР...

Интересно, что работа с ГДЛ продолжается, и достигаются новые, лучшие, значения. Список литератературы.

Comments

( 46 comments — Leave a comment )
_hellmaus_
Feb. 17th, 2016 07:59 pm (UTC)
Все равно не понимаю, как в ARC собираются делать разборные магниты. На рисунке, конечно, виден могучий фланец, но при тех механических нагрузках, которые будут от магнитов на 23 Тл, соединение "встык" все равно может разойтись. Пишут, что соединение медное. Интересно, сколько тепла на нем будет выделяться? Снимать его придется с температуры 20К.

Интересно, что могут предложить материаловеды. Композиты на углеволокне и нанотрубках заметно прочнее стали, но недостаточно жесткие. Бывают ли сверхпрочно-сверхжесткие материалы?

kincajou
Feb. 17th, 2016 08:09 pm (UTC)
как-как... как рельсы - обжимать и сваривать. А если нужно разобрать, то распилить (а потом снова сваривать)
(no subject) - tnenergy - Feb. 17th, 2016 08:33 pm (UTC) - Expand
tydymbydym
Feb. 17th, 2016 08:00 pm (UTC)
Возможно p+B11 как раз в ГДЛ и научатся когда-нибудь сжигать с приемлемой эффективностью?
tnenergy
Feb. 17th, 2016 08:53 pm (UTC)
Ну там, емпни условие Q может быть >1 при бетта больше 40%. Протон-бор вообще крайне бледный кандидат, условия горения очень велики, плотность мощности очень мала, невелик и возможный Q для равновесной плазмы из-за высоких потерь на тормозное излучение. Как-то я в p-B верю гораздо меньше, чем в D+He3.
(no subject) - tydymbydym - Feb. 17th, 2016 09:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 17th, 2016 09:22 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - May. 7th, 2016 09:56 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - May. 7th, 2016 09:57 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Feb. 18th, 2016 01:00 am (UTC) - Expand
(no subject) - tydymbydym - Feb. 18th, 2016 04:29 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Feb. 18th, 2016 04:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tydymbydym - Feb. 18th, 2016 05:52 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 18th, 2016 05:55 pm (UTC) - Expand
kincajou
Feb. 17th, 2016 08:08 pm (UTC)
а вот этот маленький реакторчик с радиусом 25 см - из него полезный выхлоп извлечь можно, хотя бы теоретически? Во сколько раз его потребление выше, чем отдаваемая мощность?

tnenergy
Feb. 17th, 2016 08:54 pm (UTC)
Нет, это чисто тестовый стенд. Извлечь мощность из него так же сложно, как из стенда балансировки турбинных роторов.
bash_m_ak
Feb. 17th, 2016 11:31 pm (UTC)
Да, презентация Хирша сильна. Вспоминается анекдот "всем спасибо, все свободны"(с).
В связи с этим вопрос возник - а как с сертификацией у самого ИТЭРа? Он точно вписывается во все предписания французских ядерных органов? Я так понимаю, что какая-никакая радиация там будет даже при работе на водороде. Соответсвенно вопросы у регуляторов и со срывом плазмы, и с удержанием всякой гадости в случае взрывов возникнут уже при разрешении работы ИТЭРа, а не только будущего реактора. Собственно эти вопросы даже для ускорителей возникают и примеры LHC и J-PARC показывают, что не так уж и зря.
ИТЭР вписывается? С хорошим запасом?
tnenergy
Feb. 18th, 2016 06:30 am (UTC)
Он сертифицируется по полной, в т.ч. в по барьерам нераспространения, дозонагрузке персонала, системе безопасности. Если почитать документы, то там везде будет про уровень сертификации на надежность для ядерных систем.

Из-за этого большие проблемы и задержки проекта и думаю, во многом по этому директором выбран Биго, который много лет занимался разработкой тех самых законов, по которым идет сертификация.
ardelfi
Feb. 18th, 2016 07:39 am (UTC)
По мере прочтения возникало столько мыслей, что пришлось их стирать. :) Первой была известная цитата мистера Лаврова, применительно к вот этому:
> Радиоактивные отходы. Если просто масштабировать ИТЭР до энергетической системы, то бланкет понадобится менять раз в три года (спорное заявление), а значит термоядерная электростанция будет производить вчетверо больше радиоактивных отходов, чем АЭС.
Эти слова выдают в авторе человека, который купил и выкинул слишком много батареек. Благо в "Прорыве" народ мыслит иначе, и циркуляция материалов в цикле не ограничена делящимися. Но это не самое..

Самое -- это изобильно доказанный автором тезис о преступности затяжек работ по ИТЭРу, превратившемуся в чёрную дыру, пожирающую 1) невосполнимое время, 2) однобитное внимание начальства, 3) ограниченные ресурсы в период кризиса, 4) ограниченное количество спецов и производств для такой техники, и 5) внимание общества. Эту подлую банду нужно немедленно разогнать по списку и по той фотографии, как я уже писал ранее -- это было бы самым мощным толчком в развитии синтеза на сегодня, мощнее любых успехов ВТСП.

В целом по презентации видно что накопился большой потенциал для прорыва в синтезе: дизайны, магниты, технологии. Амовский токамак и российская ловушка -- вот что нужно бы делать, ну а с точки зрения РФ делать нужно именно ловушку. Те люди сказали что 2км ловушка будет коммерческим реактором -- вот сразу и делать 2км, даже если вылезут проблемы. Забить на все конкурирующие проекты, в том числе суверенные ускорители и прочее, и сфокусировать все силы на доведении синтеза до практической применимости. Это стоит всех трудностей и лишений (финансирования) -- лучше пусть другие пока финансируют коллайдеры, потому что они точно не будут финансировать эту ловушку.

Цитата дня, взятая из другой индустрии, кишащей проектами-паразитами:
> ...inability to stop a project even after it's obvious that the likelihood of success is rapidly approaching zero.

Edited at 2016-02-18 07:42 am (UTC)
tnenergy
Feb. 18th, 2016 01:41 pm (UTC)
>Эту подлую банду нужно немедленно разогнать по списку и по той фотографии, как я уже писал ранее -- это было бы самым мощным толчком в развитии синтеза на сегодня, мощнее любых успехов ВТСП.

А лучше расстрелять, это, как известно помогает всегда.

>В целом по презентации видно что накопился большой потенциал для прорыва в синтезе: дизайны, магниты, технологии.

Или не накопился. Для этого надо пытаться сделать УТС соответствующего дизайна, на соответствующих технологиях.

>Те люди сказали что 2км ловушка будет коммерческим реактором -- вот сразу и делать 2км, даже если вылезут проблемы.

Если делать сразу 2 км коммерческого реактора, то он с вероятностью 99,99% будет неработоспособен. У инженеров будет слишком много вопросов, на которые можно ответить создав 200 метровый реактор, а до него - 20 метровый. Странно, что вы этого не понимаете.

(no subject) - ardelfi - Feb. 18th, 2016 03:05 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Mar. 3rd, 2016 06:20 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Mar. 3rd, 2016 10:50 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Mar. 3rd, 2016 11:02 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Mar. 3rd, 2016 11:35 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Mar. 3rd, 2016 03:53 pm (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Mar. 3rd, 2016 04:34 pm (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Mar. 3rd, 2016 04:34 pm (UTC) - Expand
Андрей Гаврилов
Feb. 18th, 2016 04:53 pm (UTC)
пара мыслей про HFS.

Железные суперпроводники туда не попали, что, с одной стороны жаль (хотелось бы видеть в строю),
с другой стороны - большое место для надежды оставляет, что они так же отодвинут перечисленные HTS HFS, так же, как последние отодвинули прежнее поколение суперпроводников.

Отдельно интересно бы посмотреть пересчеты для систем с такими магнитами для систем:

- ГДЛ,
- ГДМЛ,
- Пролетотрон Морозова

для разных вариантов топлива (больше всего мне лично интересен D+D).


Отдельно было бы интересно/круто, если бы буржуи стали пиарить не ГДЛ (про этот пиар - прикольно. я лично очень порадовался:)), а ГДМЛ. :))
Андрей Гаврилов
Feb. 18th, 2016 04:54 pm (UTC)
Отдельно интересно, про варианты "удешевить ГДМЛ". Например, можно ли там проделать тот же финт с уходом от инжекторов холодных нейтралов (и нужно ли?).
korzhimanov
Feb. 20th, 2016 11:34 am (UTC)
Можно. Статья Шалашова на последнем слайде как раз об успешной реализации ЭЦР-нагрева.
(no subject) - Андрей Гаврилов - May. 7th, 2016 09:31 am (UTC) - Expand
vladimir690
Feb. 27th, 2016 08:48 am (UTC)
Диномак не попал в статью потому что о нем еще мало известно ? И можно ли ARC считать его доработкой раз у них есть общий автор или это совершенно параллельный проект?

З.Ы.Жаль ,что для термояда нет своего активного мецената-капиталиста вроде Бренсона и Маска в космонавтике(
tnenergy
Feb. 27th, 2016 09:15 am (UTC)
>Диномак не попал в статью потому что о нем еще мало известно ?

Не попал, потому что его создатели не привезли свежей презентации на FPA? Ну или я не заметил ее.

>И можно ли ARC считать его доработкой раз у них есть общий автор или это совершенно параллельный проект?

Кардинально разные идеи. Автор общий есть, да, он известный специалист по электродинамическим рассчетам плазмы, насколько я понимаю.

>З.Ы.Жаль ,что для термояда нет своего активного мецената-капиталиста вроде Бренсона и Маска в космонавтике(

Безос инвестирует в General Fusion, Тиль (кажется бывший партнер Маска по Пейпалу) если мне не изменяет память - в Tri Alpha.
(no subject) - nimroder - Feb. 27th, 2016 08:01 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 28th, 2016 01:14 am (UTC) - Expand
(no subject) - nimroder - Feb. 28th, 2016 11:47 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 28th, 2016 03:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - nimroder - Feb. 28th, 2016 03:46 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 29th, 2016 12:35 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - May. 7th, 2016 09:46 am (UTC) - Expand
(no subject) - amginskiy - Mar. 2nd, 2016 08:34 am (UTC) - Expand
amginskiy
Mar. 2nd, 2016 08:40 am (UTC)
Никого из наших, кроме товарища Симонена, не было? Как там Глобус-М, что будут исследовать в Т-15 и да, про ГДМЛ...

Edited at 2016-03-02 08:55 am (UTC)
tnenergy
Mar. 3rd, 2016 06:04 am (UTC)
Наши со второй половины 2000х похоже вообще слабо представлены в мировом термоядерном сообществе - уровень экспериментальной базы низковат. Т-15 в модернизации, все остальное позволяет изучать только частности физики плазмы, но не самые животрепещущие вопросы, если я правильно понимаю (исключений не видел). ГДМЛ тут весьма повезло с тем, что в мире это направление заброшено, а оно внезапно дает интересные результаты.
Андрей Гаврилов
Mar. 5th, 2016 07:10 pm (UTC)
>


- Да, могут. Реальный экспериментальный магнит (на фото слева сверху) показывает 26,5 тесла, для нового токамака нужно всего лишь отмасштабировать этот магнит в 200 раз :)


- и тут мы снова вспоминаем про ОЛ. ГДМЛ, ГДЛ, пролетотрон ))))

Всяко для них катушки/ магнитную систему на HFS сделать попроще будет )
vladimir690
Mar. 8th, 2017 09:26 am (UTC)
Tokamak Energy
График работ:
2018 – достижение температуры 100 млн градусов
2019 – достижение условия положительного энергетического выхода
2025 – первое производство электроэнергии
2030 – выдача термоядерной электроэнергии в сеть
http://www.atomic-energy.ru/news/2017/02/06/72391
( 46 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