?

Log in

Previous Entry | Next Entry

В этом году китайский токамак EAST показал впечатляющий рекорд - 60 секунд неидуктивного горения в H-mode. При этом токамак был оборудован полнометаллическими первыми стенками и диверторами. Все это вместе - довольно значительное достижение. Почему?


EAST изнутри. Здесь показана старая конфигурация, в которой часть поверхностей покрыты углеродными плитками (черные).

Китайский токамак, пущенный в 2007, наряду с корейским KSTAR (пущенном в 2008) - единственные две новые серьезные термоядерные установки за последние 30 лет. Не самые рекордные по параметрам плазмы и не рассчитанные на работу с тритием (т.е. на исследование реального термоядерного горения, а не физики плазмы термоядерных параметров) они тем не менее воплощают все самые последние наработки ученых-токамачников.



Параметры плазмы, которые может создать EAST не дотягивают 1,5 порядка до нужных для термоядерной реакции, зато полностью сверхпроводящая магнитная система, мощный набор систем нагрева (инжекторы нейтральных пучков, радиочастотные системы ICRH с частотой в десятки мегагерц, LHCD с частотой в несколько гигагерц и ECRH (кстати, с отечественными гиротронами) с частой в 100-200 гигагерц) позволяют исследовать режимы удержания плазмы, характерные для ITER и DEMO.


Вакуумная камера EAST в 3 раза меньше камеры ИТЭР по всем измерениям и весит в 30 раз меньше.

Повторяя и в чем-то превосходя достижения термоядрных установок мира (а по параметрам EAST попадает на 6 место среди работающих и в топ 10 среди всех работавших токамаков) китайцы пока не рискнули связываться с тритием и реальным термоядным горением - это направление тянет за собой слишком много вопросов, и фактически только проект масштаба ИТЭР позволяет бескомпромиссно двигать прогресс. Хотя у Китая есть широкие планы по развитию термоядерной энергетики на базе токамаков, пока они ограничиваются физикой плазмы, решая важные вопросы по экспериментальной проверке сценариев удержания плазмы будущих энергетических токамаков.


Планы китайцев по пути к термоядерной электростанции похоже на ответ отличника, хорошо выучившего учебник.

Итак "60 секунд неидуктивного горения в H-mode с полнометаллической первой стенкой и дивертором", чего же здесь такого?

Начнем с "неиндуктивного горения".  Это явление - важнейший момент в переходе от лабораторных токамаков к промышленным электростанциям, т.к. оно определяет потенциальную длительность работы машины. В индуктивных режимах невозможно поддерживать плазму дольше ~600 секунд, в неиндуктивных возможна любая длительность (точнее говоря, ограничения по длительности теперь будут определятся другими факторами). Что же такое индуктивный и неиндуктивный режим?


Еще одна фотография сборки EAST - катушка тороидального поля (в стальном корпусе). Тоже ниобий-титановый сверхпроводник, с током в 4 раза меньше, чем в TF катушках ИТЭР и вдвое меньшим полем.

Одной из составляющих магнитного удержания плазмы в токамаке является кольцевой ток плазмы, который наводится центральным соленоидом (т.е. электромагнитом), причем это возбуждение  тока происходит за счет изменения значения тока через соленоид. Поскольку ток можно менять только в определенных пределах, например в ИТЭР это будет уменьшение от +55 килоампер до -55 килоампер - всего 110 килоампер амплитуды, и длительность импульса определяется временим "перекидывания" центрального соленоида. Обратный ход соленоида (т.е. режим переменного тока) теоретически возможен, однако на практике требует слишком большой мощности, закачиваемой в соленоид - на порядок больше, чем обычном индуктивном.


Центральный соленоид EAST - выполнен из сверхпроводника NbTi. Обычно даже в неиндуктивных режимах он используется на старте, однако китайцы хотят показать полностью работу токамака без его использования.

 Однако ток в плазме можно создавать не только с помощью соленоида, а еще и с помощью систем нагрева плазмы - особенно эффективны тут инжекторы нейтрального пучка и радиочастотные электромагнитные волны. Именно такое поддержание тока и называется неиндуктивным. Самым желанным вариантом является полный перевод токамака на радиочастотные методы нагрева и поддержания тока плазмы. Именно такой режим был достигнут на EAST в этом году.



Расположение систем нагрева EAST на портах вакуумной камеры. Системы нагрева играют решающую роль в получении и изучении плазмы термоядерных параметров. Кстати, на EAST установлены 2 мегаваттных гиротрона (система ECRH) российского производства.

Второе достижение касается H-mode. Одним из немногих подарков природы физикам-плазмистам является так называемый H-mode режим работы токамаков. Найденный в 1982 году экспериментально он позволяет "забесплатно" получить время энергетического удержания в два раза лучшее  - т.е. снизить вдвое утечку энергии из плазмы. Конкретный механизм состоит в самоподавлении турбулентности плазмы на внешнем краю плазменного шнура (возле стенок), что при достаточном нагреве приводит к крутому градиенту температуры от краев к центру. "Достаточный нагрев" здесь ключевой момент - именно совершенствование систем нагрева привело к обнаружению столь полезного свойства термоядерной плазмы. Обратной стороной H-mode является ELM-неустойчивости - релаксации того самого крутого градиента температуры, проявляющиеся в виде горячих филаментов плазмы на ее краю


Типичные ELM в сферическом токамаке MAST

ELMы оставались бы иллюстрацией красоты плазменных явлений, если бы не одна особенность - попадая на дивертор они высаживают свою энергию в материале приводя к испарению, разбрызгиванию и прочим неприятностям. Однако неприятности не ограничиваются повреждением дивертора - в больших токамаках они могут быть гораздо более катастрофичными - ведь капля вольфрама при попадании в центр плазменного шнура становится многократно ионизированной вольфрамовой плазмой, которая начинает высвечивать энергию в ультрафиолете с многогигаваттной мощностью, и здесь встает вопрос выживаемости всей внутренней оболочки реактора.


Моделирование ELM срыва в ИТЭР. Пиковая тепловая нагрузка на элементы дивертора 3 Гвт/м^2, при максимально допустимой 20 Мвт/м^2.

На счастье физиков-плазмистов, некоторые предложенные ими методы подавления ELM-неустойчивостей работают. В частности, это достигается расположением специальных катушек на внутренней поверхности токамака, которые заставляют край плазменного шнура терять энергию, необходимую для генерации ELM.


Набор катушек для контроля ELM (синие и зеленые) в ИТЭР - 27 штук выполненных из 4/6 витков медного водоохлаждаемого кабеля с изоляцией из MgO2 и током 10 кА

И тут, возвращаясь к исходной новости, можно отметить, что китайцы добились полного подавления ELMов, продемонстировав минуту работы токамака в H-mode без ELM-срывов, что снимает некоторые напряженные моменты из жизни планировщиков экспериментов ИТЭР.



Важен и другой аспект - полнометаллический дивертор. Как видно из истории с ELM - металлы с высокими зарядовыми числами - не самый хороший выбор. Долгое время в качестве материалов дивертора использовали углеродные композиты - плитки примерно как на шаттлах (только не силицированные) или чисто графитовые. Однако если мы хотим получить дивертор, который будет работать долго без замены, не будет накапливать тритий и реагировать с водородом и выдерживать большие нейтронные потоки - то необходимо использовать вольфрам (в будущем возможно удасться довести до рабочего состояния диверторы из карбида кремния или ванадиевых сплавов, однако сейчас это слишком сырая технология).

Наконец, говоря о 60 секундах нужно вспомнить о прошлогоднем достижении корейских конкурентов - 55 секунд H-mode, правда индуктивной. Хорошо понятно, кому забивали баки китайцы. Впрочем, в скором времени заработает проапгрейженный французский токамак Tore Supra и японский JT-60SA - обе этих машины будут способны на 100+ секундные запуски, и китайцем видимо придется придумывать новые апгрейды и драться за новые рекорды.

Comments

( 61 comments — Leave a comment )
alexbreeze
Nov. 20th, 2016 01:31 pm (UTC)
учитывая битву за секунды, электростанция на термояде вижу дело явно не близкое и в очередной раз радуюсь проектам Росатома.
Андрей Гаврилов
Nov. 20th, 2016 01:41 pm (UTC)
>вижу

- видите (тут) вы лишь одну деталь мозаики. Вот тут, к примеру, куда более интересные/ перспективные детали:

http://tnenergy.livejournal.com/75401.html
(no subject) - alexbreeze - Nov. 20th, 2016 02:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Nov. 20th, 2016 02:19 pm (UTC) - Expand
(no subject) - alexbreeze - Nov. 21st, 2016 02:43 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 20th, 2016 02:39 pm (UTC) - Expand
(no subject) - sceptikk - Nov. 20th, 2016 03:54 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 20th, 2016 04:07 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Дим Димыч - Nov. 20th, 2016 02:48 pm (UTC) - Expand
(no subject) - raskrushitel - Nov. 20th, 2016 06:03 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Дим Димыч - Nov. 21st, 2016 04:16 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 21st, 2016 04:20 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Дим Димыч - Nov. 21st, 2016 04:24 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 21st, 2016 05:03 pm (UTC) - Expand
(no subject) - raskrushitel - Nov. 21st, 2016 04:22 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Дим Димыч - Nov. 21st, 2016 04:25 pm (UTC) - Expand
(no subject) - raskrushitel - Nov. 21st, 2016 04:32 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 21st, 2016 04:56 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Ilya Kiselev - Nov. 22nd, 2016 08:33 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 22nd, 2016 09:28 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Ilya Kiselev - Nov. 23rd, 2016 07:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Артем Камбуров - Nov. 21st, 2016 11:54 pm (UTC) - Expand
Андрей Гаврилов
Nov. 20th, 2016 01:39 pm (UTC)
>Хотя у Китая есть широкие планы по развитию термоядерной энергетики на базе токамаков

- вот об этом можно подробнее? Планы, источники знаний о планах?
tnenergy
Nov. 20th, 2016 02:00 pm (UTC)
Конференция IAEA FEC 2016, там были доклады. Это позиция ASIPP, понятно.
(no subject) - Андрей Гаврилов - Nov. 20th, 2016 02:24 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 20th, 2016 02:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Nov. 20th, 2016 02:47 pm (UTC) - Expand
kasnv
Nov. 21st, 2016 08:33 pm (UTC)
Года три назад тоже слышала от китайцев, что их правительство стало активно поддерживать исследования в этом направлении. Но я не вникала в подробности, я в это время пускала слюни на диагностики EASTа.
(no subject) - tnenergy - Nov. 21st, 2016 08:48 pm (UTC) - Expand
(no subject) - kasnv - Nov. 21st, 2016 08:57 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 21st, 2016 09:25 pm (UTC) - Expand
(no subject) - kasnv - Nov. 21st, 2016 09:41 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Nov. 21st, 2016 09:56 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Nov. 21st, 2016 11:16 pm (UTC) - Expand
kincajou
Nov. 20th, 2016 01:46 pm (UTC)
выучевшего
соленойд


что с вами?!
Андрей Гаврилов
Nov. 20th, 2016 01:48 pm (UTC)
ну, среднее - это за фонетическое письмо/ жаргонизм сойдет, если что.
В. уже обсуждал это как-то в комментах с очередным пуристом.
(no subject) - tnenergy - Nov. 20th, 2016 02:02 pm (UTC) - Expand
(no subject) - gray_bird - Nov. 20th, 2016 02:09 pm (UTC) - Expand
finewithall7
Nov. 20th, 2016 02:12 pm (UTC)
И все-таки. Токамаки это ведь тупик? Нетехнологично, плохо масштабируется...
tnenergy
Nov. 20th, 2016 02:48 pm (UTC)
Ну для ученых - нет, не тупик, новые знания вполне себе добываются. С точки зрения инженеров - не хороший концепт, но не понятно - тупиковый ли, требуются нииокры. С точки зрения бизнеса - еще какой тупик, но может быть все изменится, если ученые и инженеры эти токамаки правильно заоптимизируют.

Наконец, тут еще вмешивается интерес государства, которому нужны кадры, знающие физику плазмы и ядерную физику одновременно.
ardelfi
Nov. 20th, 2016 03:11 pm (UTC)
> начинает высвечивать энергию в ультрафиолете с многогигаваттной мощностью

Это очень интересно для некоторых применений, где люди радуются сотне ватт глубокого ультрафиолета.
Андрей Гаврилов
Nov. 20th, 2016 03:24 pm (UTC)
они их там (если это то самое "там") практически так же высвечивают, капелька олова, лазер, "пыщ-пыщ!".
tnenergy
Nov. 20th, 2016 10:23 pm (UTC)
Вопрос наверняка не в источнике как таковом, а его параметрах и цене...
(no subject) - ardelfi - Nov. 20th, 2016 11:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Nov. 21st, 2016 02:19 pm (UTC) - Expand
pz_true
Nov. 20th, 2016 03:39 pm (UTC)
это че, задача магнитов останется только держать?
tnenergy
Nov. 20th, 2016 03:48 pm (UTC)
Ужасная судьба, да.
valkoval2
Nov. 20th, 2016 03:47 pm (UTC)
Когда, ещё при советской власти начался бум автоматизации производства, оно представлялось таким: подходит токарь к станку, ставит заготовку в шпиндель (я правильно назвал?), меняет резец, зануляет его рабочую кромку, вставляет перфоленту в считыватель и нажимает кнопку Пуск. На деле же получилось всё то же самое, за исключением того, что на место токаря встал инженер-технолог, который готовил программу. Потом, когда в Россию пришли обрабатывающие центры (из за рубежа пришли), рабочих-токарей вернули. Но физика процесса от этого не поменялась.
На мой взгляд, в термоядерных технологиях на первых порах нет места сантехнику, инженеры будут выгребать говно. Но, если читающий эти строки не совсем дурак, то он должен понимать, что в термояде неизбежен переход к тому, что кнопку Пуск нажмёт обыкновенный сантехник (условно). Это можно понять, посмотрев на великое множество труб, и классических канализационных в том числе.
Если допустить, что все системы в этом мире являются защитными, которые порождают тоже защитные системы, то неизбежно упрощение защитных систем. Ибо сложные системы ненадёжны при работе длительное время. Отсюда вывод, что количество труб должно уменьшится и останется одна канализационная в традиционном понимании этого слова.
permea_kra
Nov. 20th, 2016 04:23 pm (UTC)
А что сейчас слышно по открытым ловушкам?
tnenergy
Nov. 20th, 2016 10:20 pm (UTC)
Не сказать, что с августа на этом направлении что-то сдвинулось заметно. Может быть в следующем году будут какие-то фактические результаты.
(no subject) - permea_kra - Nov. 20th, 2016 11:04 pm (UTC) - Expand
(no subject) - masuk0 - Nov. 21st, 2016 05:47 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Nov. 21st, 2016 06:06 am (UTC) - Expand
vladimir690
Nov. 21st, 2016 02:18 pm (UTC)
А у лазеров весомые успехи?
http://vladimir690.livejournal.com/85364.html
Андрей Гаврилов
Nov. 21st, 2016 03:13 pm (UTC)
невесомые, like a butterfly wings.

Вас, собственно, в каком разрезе? В разрезе "ехать", или "шашечки"?

У них, для "ехать" все грустно; т.е. даже, если, на секунду предположить гипотетический вариант, что они Q порядка 10, 100, 1000 получили - полный набор проблем инецриалок, помноженный на чисто лазерные/ оптические проблемы.

Всегда есть соотношение "выдаваемая мощность" к "мощность единичного выстрела", снизу ограничения по минимальному бабаху, минимум множится на Q. Далее - из желаемой мощщщи у нас соотношение - финальная энергия бабаха на частоту бабахов. Из выбора мощщи и частоты на этом этапе - зависят - частота смены поддерживающего железа (количество его разрушений), в случае оптики это, кроме системы поддержки хольранума, - оптика (расстояние до оптики - на случай повреждения плазмой; угловой размер (оптики во всей камера) и мощща - для радиационного повреждения). (Тут проблема - либо нереальная частота получается, либо нереально лютая мощща одного выстрела). Для гениальной идеи "хольранум не поддерживаем, а кидаем" - смотрим на временную диаграмму процесса, и точность временного выравнивания импульсов сейчас.

В общем, выглядит это как тот еще "ад и коровники", ехать эти шашаечки, судя по всему, будут нескоро (при чем это изрядно иное "нескоро", чем у магнитного (ОЛ, ОЛ!) УТС), если вообще когда-нибудь поедут.
tnenergy
Nov. 21st, 2016 03:37 pm (UTC)
Это очень хороший результат для команды OMEGA, но надо понимать, что рекорды там пересчетные - т.е. вот если бы у них был лазер с мощностью NIF (а у них лазер 30 кДж в импульсе против 1,8 МДж у NIF), то они достигли бы ~0,6 от критерия Лоусона и 100 кДж энерговыделения (т.е. примерно Q=0,06).

Однако NIF не работает в режиме direct drive, поэтому в реальности этот опыт нельзя перенести на NIF. В итоге получается очень локальный и не абсолютный рекорд.

Сейчас гораздо интереснее, что покажут новые опыты по MagLIF.
kasnv
Nov. 21st, 2016 08:51 pm (UTC)
>Однако ток в плазме можно создавать не только с помощью соленоида, а еще и с помощью систем нагрева плазмы - особенно эффективны тут инжекторы нейтрального пучка и радиочастотные электромагнитные волны. Именно такое поддержание тока и называется неиндуктивным.

Неиндукционное поддержание тока осуществляется не одним каррент драйвом, существенную долю в нем составляет бутстреп-ток.
tnenergy
Nov. 21st, 2016 09:24 pm (UTC)
Это я знаю, но на мой взгляд слишком сложная конструкция получается.
nordosten
Nov. 21st, 2016 09:53 pm (UTC)
А с D-D возможна самоподдерживающаяся реакция горения (с или без радиочастотным нагревом)? И что мешает жечь больше 60-100 секунд?
Упирается в материалы?
И почему китайцы не хотят свой ARC сделать?
b_my
Nov. 23rd, 2016 03:59 am (UTC)
Да.
Ничего (если не говорить конкретно про токамаки с индукционным режимом).
Китайцы хотят всё. Но даже Китай не может потянуть строительство всего, приходится выбирать даже им.
tnenergy
Nov. 23rd, 2016 07:20 am (UTC)
>А с D-D возможна самоподдерживающаяся реакция горения (с или без радиочастотным нагревом)?

Возможна. Но D-D сочетает недостатки DT (много нейтронов, правда все же меньше и спектром помягче) и DHe3 (высокая температура максимальной реактивности) и имеет один свой фундаментальный - низкая реативность, т.е. объемная плотность энерговыделения. Реактор с горящим DD будет монструозных размеров - ну, скажем, 100 метров в диаметре.

>Упирается в материалы?

В материалы в основном упирается концепт DT-реакторов.

>И почему китайцы не хотят свой ARC сделать?

Думаю, если ARC будет продвигаться, то мы увидим китайский ARC.
( 61 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

July 2017
S M T W T F S
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031     
Powered by LiveJournal.com