Ядерная энергия (tnenergy) wrote,
Ядерная энергия
tnenergy

Categories:

Еще один термоядерный стартап получает финансирование

Пару недель назад СМИ заполонили новости о создании нового термоядерного стартапа Commonwealth Fusion Systems, который получил начальные инвестиции в 50 млн долларов от итальянского энергетического гиганта Eni на создание своего прототипа энергетического термоядерного реактора. Это очень интересный и важный проект, и о его месте среди других термоядерных стартапов и физических концепций я и расскажу сегодня.



Итак, новый стартап делает ставку на токамак под названием SPARC, а команда его состоит из выходцев из лаборатории термоядерной плазмы MIT. Люди из индустрии уже из этих двух фактов могут догадаться, что речь идет о установке прототипирующей замечательный концепт токамака ARC - и это действительно он. SPARC - это сверхпроводящий токамак с высоким полем - одна из двух (вторая - это сферические токамаки) альтернативных к классическим токамакам веток развития этих замкнутых магнитных ловушек. Получение финансирования - очень важный момент, т.к. до этого ветвь токамаков с большим полем преследовали неудачи, а ведь это одно из немногих направлений, у которого есть шансы стать основой термоядерной энергетики (в отличии от классических токамаков, у которых этих шансов нет).

Итак, сильное магнитное поле - в чем его плюсы, минусы и почему это важно? Давайте для начала посмотрим, как зависит термоядерная мощность P от размера токамака (задаваемого большим радиусом плазменного бублика R) и индукции магнитного поля B



ITER FEAT - этот тот ИТЭР, который строят сейчас (ITER EDA - изначальный концепт 90х, больше по размерам и мощности). Видно, что если увеличить поле с 5 до 10 тесла (на оси плазменного шнура), то ту же термоядерную мощность можно получить при вдвое меньшем размере, что выливается в 10 раз меньшую стоимость. Вдумайтесь, насколько критично для экономики энергоустановки может быть снижение стоимости реактора в 10 раз при неизменной мощности!

Однако, понятно, что такие поля не даются бесплатно. Более того, до недавнего времени большие магниты с полями выше 6 тесла (внутри реактора, сам магнит имеет поле примерно в два раза выше) могли быть только медными - а это означает совершенно сумасшедшие электрические мощности идущие на нагрев обмоток такого сильнопольного магнита и прокачку охлаждающей воды в объемах "плавательный бассейн в секунду". Для ИТЭР, например, мощность на создание полей в медных магнитах составляла бы 1,9 гигаватта. Даже ученым такие установки не очень нравятся - в процессе импульса медные оболочки прогреваются, меняется ток и поле, т.е. плазменный выстрел не получается стационарным. Такие токамаки не способны быть энергетически окупаемыми, поэтому разработчики сосредоточились на токамаках с низкотемпературными сверхпроводниками.



Здесь показана значения поля, доступные конструкторам сверхпроводящих токамаков при использовании самого сильного низкотемпературного сверхпроводника Nb3Sn

Однако ситуация поменялась примерно 10 лет назад, когда появились первые производства высокотемпературных сверхпроводящих ReBCO кабелей второго поколения. При низких температурах (ирония терминологии - кабели скорее высокопольные, чем высокотемпературные для реальных применений) ReBCO ленты способны выдавать поля в 2-2,5 раза выше классических низкотемпературных.


Инженерный образец соленоида с высоким полем из высокотемпературного сверхпроводника.

Конечно, пока реальное инженерное применение ВТСП пока скорее искусство, чем практика: например есть проблема пережога кабелей при потере сверхпроводимости, дороговизна и крайняя сложность в производстве лент, сложности с проектированием охлаждения и прочностных свойств - но все это преодолимо.

Именно здесь на сцену появляется концепт токамака ARC (который, кроме того, пересматривает еще несколько болевых точек классических токамаков - например бланкет). Однако ARC - это большая и весьма прорывная установка, которая требует ~10-15 лет на создание и ~3 миллиардного бюджета.  Нужен прототип, которые снимет часть рисков и опасений с ARC. Именно таким прототипом является SPARC


При стоимости в 100-200 млн долларов по значению Q (отношение термоядерной мощности к мощности подогрева) установка затыкает все имеющиеся в мире, в т.ч. стоящий 2 миллиарда долларов JT-60SA. Кстати, если посмотреть на график выше, что можно две отметки - C-mod и Alcator C - на самом деле это один и тот же небольшой токамак Alcator C, который долгое время эксплуатировался именно в плазменной лаборатории MIT и достиг в т.ч. рекорда по магнитному полю плазмы - 12 Тесла. Именно MIT на сегодня обладает наибольшим опытом в области токамаков с высоким полем, здесь в прошлые годы были разработаны два аванпрокта: FIRE и BPX, ориентированных на достижение высокой мощности и Q в малом объеме за счет высоких полей. Однако это установки с медными магнитами, а значит - тупиковые в энергетическом поле.

Необходимо вспомнить, что в подмосковном институте ТРИНИТИ тоже в 1987 году был построен "токамак с сильными полем" ТСП, и главное - грандиозный энергокомплекс для питания медных электромагнитов этого токамака. ТСП, к сожалению так и не заработал (при первых запусках была прожжена стенка, а в 90х уже не было финансирования для восстановления), однако на базе этой инфраструктуры предлагалось в свое время построить совместно с итальянцами токамак IGNITOR



Медные тороидальные катушки с захолаживанием до температуры жидкого гелия, полоидальные катушки из сверхпроводящего диборида магния, поле на оси в 10 тесла - в общем ИГНИТОР являлся хорошим примером проектов токамаков с сильным полем (термоядерная мощность в 1/5 от ИТЭР при массе установки в 1/50 от ИТЭР), однако финансирование на него так и не было выделено.


Сходства концепции SPARC с другими предложениями высокопольных токамаков


И отличия от предыдущих концептов: ВТСП в отличии от меди имеет перспективу развития, требует маленькую энергоинфраструктуру, позволяет часто проводить эксперименты.


На этом моменте может сложится картина, что токамаки с сильным полем - это серебряная пуля, позволяющая почти бесплатно на порядок улучшить технические характеристики токамаков, и даже удивительно, что ИТЭР все еще не перепроектирован под ВТСП.

На самом деле физика вносит тут одну весьма неприятную проблему, которая давно висит дамокловым мечем над токамачным направлением в целом.

Смотрите - если мы нашли способ при той же мощности резко уменьшить размеры установки, то плотность энергии, падающей на стенки токамака растет как квадрат коэффициента уменьшения размеров к мощности. Первая стенка, дивертор - элементы, которые в ИТЭР работают на грани (и в некоторых моментах - за гранью) инженерных возможностей человечества, в ARC/SPARC должны быть улучшены в 100 раз.



Этот момент является самым сложным для токамаков с высоким полем, хотя идеи для выхода из тупика тут есть - увеличение поверхности дивертора, "развертка" точки прихода плазмы в дивертор по поверхности дивертора осциллирующим магнитным полем, газовый детачмент (т.е. образование газовой мишени, в которую придет плазма), все наработки по охлаждению - сдаваться создатели SPARC не намерены, хотя говорят о том, что не помешал бы специальный маленький токамак для исследования различных конфигураций и технологий дивертора.

Кроме поверхностного выделения энергии плазмы есть еще и нейтроны, которые для DT реакции уносят 86% энергии. В маленькой машине просто нет достаточно места для размещения достаточных объемов экранировки (эта же проблема является краеугольной для сферических токамаков) - а значит ВТСП магниты будут получать очень заметную нейтронную дозу и даже более того - прямой нагрев такой мощности, которую очень сложно отводить с помощью текущего жидкого гелия.

На последнем моменте хотелось бы заострить внимание:



Здесь показаны компоновочные исследования для SPARC - количество 10секундныз запусков, после которого сверхпроводник и изоляция начинают ощутимо деградировать. Видно, что без экранирования установка приходит в негодность за несколько тысяч запусков, что, впрочем намного превосходит общий опыт реальных DT (а не DD) запусков, который составляет 3000 секунд в 875 запусках.

Нагревание магнитов нейтронами тоже является серьезной проблемой



Полученные значения (1-3 мегаватта подогрева на метр кубический магнитов) не совместимы с простым охлаждением текущим жидким гелием, т.к. теплоемкость его невелика. Даже с кипящим жидким гелием этот вариант не совместим - нужно кипятить 392 литра гелия в секунду с образованием 290 кубометров в секунду - в такой установке просто невозможно прокачивать такие количества. Однако кипящий жидкий водород или неон выглядят гораздо лучше



Температура кипения водорода (20,4 К) и неона (27,1 К) - вполне рабочий вариант для ВТСП, и получается, что магнитная система вполне может "завязаться" в совершенно новом стиле. Однако это требует большого объема инженерных разработок, которые будет сложно выполнить небольшому стартапу.

Впрочем, возможный приз в виде значительного удешевления энергетического токамака привлекает. На данный момент Commonwealth Fusion Systems намеряны сосредоточится на детальном проектировании своего SPARC и поиске дальнейших инвестиций, т.к. 50 млн долларов совершенно недостаточно для строительства этой установки. Весьма интересным моментом, как мне кажется, является то, что CFS рассматривает вариант работы с тритием уже на такой небольшой установке, что пока не было реализовано ни одним другим термоядерным стартапом (да и собственно научных термоядерных установок с тритием история знает всего 3 - токамаки JET и TFTR и лазерный УТС NIF). Возможность реализации этого зависит от количества собранных в проект в будушем денег, т.к. даже небольшое количество трития на установке вздувает ее стоимость на несколько десятков млн. долларов.


По мнению создателей SPARC получение лицензии на установку с тритием не запредельно сложный процесс.

В заключение хочется привести "TODO лист" плазменной лаборатории MIT по пути создания энергетического токамака с высоким полем, и возможные пути выполнения различных элементов этого TODO листа



P.S. большинство слайдов были нагло надерганы с презентации главы Commonwealth Fusion Systems Боба Мумгарда, где есть еще разные интересные моменты.
Tags: Альтернативы УТС, сверхпроводник, токамаки мира
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 49 comments