?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

У любого человека при знакомстве с текущей ситуацией по управляемому термоядерному синтезу может возникнуть вопрос: почему существует такой перекос в финансировании УТС - не меньше 3/4 достается токамакам, когда есть множество других замечательных концепций? Ответ довольно прост: в 70х годах токамаки резко вырвались вперед, за 20 последующих лет достигнув breakeven’a - т.е. получения количества термоядерной энергии, сравнимого с затратами на нагрев реагирующей плазмы.


Обслуживающий робот внутри токамака JET.

Было бы ли это случайностью, или токамаки действительно проще всего в плане достижения термоядерных температур и плотностей, однако факт остается фактом: ни один другой реактор пока не смог достигнуть параметров токамаков 80х годов ~10% от выполнения критерия Лоусона. Однако, в свою очередь, токамаки в своем дальнейшем развитии быстро достигли предела возможностей человечества. ИТЭР - самая грандиозная в мире научная установка запредельной сложности не может стать основой дешевой энергетики.



ИТЭР и герой сегодняшнего рассказа ARC в одном масштабе.

Таким образом наряду с развитием ветки ITER - DEMO перед исследователями встает задача поиска возможности упрощения токамаков, стремительно теряющих пользу в глазах широкой публики.

В 2012 году выходит статья Vulcan: A steady-state tokamak for reactor-relevant plasma–material interaction science, где описывается токамак для исследования взаимодействия плазмы и материалов. Однако в нем есть несколько новых технических решений, которые определяют новое направление. Основное - это высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) в тороидальных катушках и двойной корпус вакуумной камеры. О плюсах этого решения мы поговорим чуть ниже, а пока - почему же ВТСП не попали в ИТЭР?


Концепция исследовательского токамака Vulcan.

Как известно, высокотемпературная сверхпроводимость открыта в 1986 году, а первые коммерческие продукты появились в середине 90х. Именно тогда, 93-98 годах шла разработка первой версии ИТЭР (мало кто знает, что первая версия была еще больше и с “зажиганием” плазмы). В ходе исследований ВТСП были отвергнуты как слишком сырые и ненадежные, что бы попасть в такой требовательный проект, как ИТЭР. Только в начале 2000х исследования ЦЕРНа в плане применимость ВТСП показали, что технология “созрела”. Однако, они снова не попали в ИТЭР, не смотря на то, что в 2000-2006 шла разработка второй версии этого токамака. На этот раз причина была в том, что к тому моменту команда ИТЭР уже провела испытания прототипов тороидальных катушек с низкотемпературными NbSn3 магнитами и выбрасывать результаты этой весьма дорогостоящей работы и начинать все заново никто не позволил бы.


Испытания прототипа катушки тороидального поля ИТЭР весной 2004 года на установке SULTAN, Швейцария.

Таким образом ВТСП и ИТЭР разошлись во времени буквально на несколько лет. Однако сегодня ситуация кардинально изменилась - ВТСП ленты второго поколения успешно теснят традиционные ниобиевые интерметаллиды.


Испытанный в ЦЕРНе прототип катушки сечением 12х12 мм из REBCO-ленты на ток 7 кА - в 10 раз меньше, чем нужно для ARC.

Суммируя прогресс во многих технических отраслях за последние 15 лет, прошедших со времен разработки проекта ИТЭР, ученые из хорошо известного американского института MIT (интересно, что среди них один из разработчиков Диномака D.A. Sutherland) предложили концепт токамака ARC - акроним от Affordable, Robust, Compact, т.е. доступный, здравый и компактный. Действительно, в предложенном концепте параметры ИТЭР можно реализовать во вдвое меньшей по размерам машине за 1/10 стоимости международного реактора.


Итак, ARC (статья, пиар) базируется на идеях Vulcan - использование ВТСП тороидальных катушек и двойной стенки вакуумной камеры. Что это дает? Многое! Давайте взглянем на диаграмму “критическое магнитное поле/температура” для разных сверхпроводников.


Здесь показана зависимость предельной температуры и магнитного поля, при которых сохраняется сверхпроводимость. Для YBCO и шире REBCO эта зона уже дотянута до 30 Т при гораздо большей рабочей температуре.

Видно что для REBCO лент можно достигнуть заметно бОльшего поля без потери сверхпроводимости при той же температуре, либо создать такое же поле при заметно более высокой температуре. ARC ориентируется на поле в 9,25Т на плазменной оси (и 23Т внутри катушек - близко к современным лабораторным рекордам!) и температуру в 20К. Первая величина почти в 2 раза больше, чем в ИТЭР, а значит мощность энерговыделения кубометра плазмы вырастает в 6 раз (почему это так?). Это означает, что применив такую технологи. мы сможем получить 500 мегаватт термоядерной мощности в объеме существующего токамака JET (ну почти).


Концептуальный облик токамака ARC: 1 - силовое кольцо, 2,5 - силовые тороидальные ребра, 3 - полоидальная сверхпроводящая катушка, 4 - разъем тороидальных ребер и катушек, 7 тороидальный проводник, 8 - корректирующие полоидальные катушки, 9 - плазменный объем, 10 - центральный индуктор.

Фактически, максимальное поле, которое можно достичь в токамаке с применением REBCO начинает упираться не в свойства сверхпроводника (создатели ARC заложили плотности тока равные сегодняшним промышленным рекордам, однако ВТСП быстро прогрессируют), а в пределы механической прочности конструкции. Давление поля вырастает в 4 раза по сравнению с ИТЭР, и только уменьшившиеся габариты позволяют как-то бороться с этой проблемой. Напряжение в могучей силовой “клетке” из сплава Инконель 718 ARC будет достигать 60 кг/мм^2 и будет близкое к предельному (100 кг/мм^2) в металлических конструкциях. При этом надо помнить, что удлинение сверхпроводящих катушек больше 0,2% недопустимо,т.к. при этом начинает уменьшаться допустимый критический ток.


Одно ребро токамака ARC и напряжения в нем. Запас прочности всего в 1,5 раза маловат для промышленной конструкции.

Важной особенностью спланированной системы является легкость ее разборки - магнитную систему токамака ARC можно разделить по экватору, а убрав верхнюю часть - получить легкий доступ к внутренностям в духе современных ядерных реакторов. Это резко упрощает задачу обслуживания, которая сегодня решается путем создания головоломных робототехнических систем, обслуживающих внутренний тор через отверстия-порты между тороидальными катушками.



Иллюстрация разборки токомака с заменой внутренней оболочки вакуумной камеры. Голубая поверхность - оболочка внешней стенки вакуумной камеры, между двумя стенками циркулирует расплав FLiBe.

Двойная стенка вакуумной камеры решает другую проблему ИТЭР. Сложная система защиты реактора от жесточайшего нейтронного и электромагнитного излучения горящей плазмы, называемая бланкет - в случае международного токамака - произведение инженерного искусства, с запредельными сложностями в проектировании, изготовлении, установке и смене. Исследователи MIT предлагают использовать вместо жесткой механической конструкции (которая еще усложнится с необходимостью получения трития в бланкете путем облучения лития нейтронами от плазмы) жидкий бланкет из “ядерной соли” FLiBe. Данная соль - смесь фторида лития и бериллия часто встречается в проектах жидкосолевых реакторов, и в современных термоядерных. Она инертна и обладает прекрасными замедляющими и поглощающими нейтроны свойствами, а в условиях термоядерного реактора позволяет воспроизводить сгоревший тритий. Это происходит путем
размножения нейтронов на бериллии (один энергичный нейтрон рождает 2 менее энергичных на ядре бериллия), а затем ядерной реакции лития с нейтроном Li6 + n -> T + He4.
Расплав соли будет работать не только нейтронной защитой и восстанавливать запасы трития, но и поглощать все тепло, произведенное термоядерной реакцией, отдавая его на турбинный цикл.


Альтернативный дизайн ARC - еще более дешевый, с бОльшей долей FLiBe (светло-синее), но менее прочный и с меньшим полем.

Следующим важным упрощением является ориентирование токамака на не-индуктивную работу. В современных больших машинах стабильность плазмы поддерживается созданием в нем мощного тока. Ток в свою очередь создается центральным индуктором и такой режим может продолжаться, пока индуктор разряжается от максимального положительного до максимально отрицательного тока. Таким образом токамак в индуктивном режиме - принципиально импульсная машина, пусть даже импульс может длится 20 минут, как это планируется для ИТЭР.  Однако возможна и альтернатива - ток создается специальным радиочастотным источником на частоте нижнегибридного резонанса. Именно такой источник, мощностью 20 мегаватт будет использоваться в ARC (впрочем это уже не новое решение, и во всех современных проектах токамаков закладывается именно такой режим).


2-х мегаваттный излучатель нижнегибридных волн, установленный на токамаке Tora Supra.

В остальном разработчики постарались положиться на разработки ИТЭР, например в системе откачки планируются его криосорбционные вакуумные помпы.


Более того, создатели отказались от нагрева плазмы инжекцией нейтральных частиц - как мы знаем грандиозные инжекторы нейтрального луча - одна из самых сложных составляющих ИТЭР. Нагрев плазмы предусматривается только с помощью ECRH и нижнегибридного радиочастотного резонанса. Такое решение тоже играет в сторону удешевления машины.

Довольно проблемной остается радиационная нагрузка на внутреннюю оболочку вакуумной камеры. Скорость набора повреждающей дозы будет составлять 30 с.н.а. в год, т.е. за пару лет внутренний корпус реактора подойдет к максимальным для сегодняшних материалов дозам. Однако есть надежда, что простота смены внутренней части токамака позволит решить эту проблему и дождаться разработки новых, ядерно-стойких материалов (типа дисперсно-оксидно упрочненных сталей).


Картинка со звездочкой: расчетные параметры токамака ARC.

Итогом разработки стал облик опытной термоядерной электростанции, которую можно создать за время, сопоставимое с запуском ИТЭР в режиме термоядерного горения (это событие произойдет не раньше 2027 года). По расчетам исследователей стоимость такой станции не превысит нескольких миллиардов долларов при мощности в 270 мегаватт электрических. Да, это еще далеко от желаемых значений, но при масштабировании таких реакторов по мощности и тиражу цена могла бы сравняться как минимум с ядерной энергетикой (до 5000 долларов за киловатт электрической мощности) при том что топливо обещает быть почти бесплатным. Конечно, работе нескольких человек далеко до проработанности проектов типа ИТЭР, и стоит сохранять некий пессимизим, тем не менее репутация исследователей говорит скорее о реализуемости установки именно в таком виде с близкими к задуманным параметрам.

Что ж, приятно видеть, что у токамаков еще есть чем ответить альтернативным “малышам”, и их история не закончится строительством гигантских динозавров - ИТЭР и DEMO.

Comments

( 45 comments — Leave a comment )
shaitan_bashka
Sep. 20th, 2015 06:08 pm (UTC)
Получается, ИТЭР устарел уже сейчас?
tnenergy
Sep. 20th, 2015 06:15 pm (UTC)
Ну в общем да. Хотя где-то он наоборот совсем передовой, но в целом постепенно устаревает еще до запуска. Мораль - не стоит все же браться за такие гигапроекты, есть есть хоть какой-то шанс улучшить ситуацию. Американцы, пожалуй, более правильно поступают, урезая деньги на ИТЭР в пользу кучу мелочи.
(no subject) - lexxair - Sep. 27th, 2015 12:02 pm (UTC) - Expand
pz_true
Sep. 20th, 2015 06:10 pm (UTC)
Я как бы не специалист в этом деле, но чисто на подсознательном уровне, мне всегда казалось, что гигантизм присущ скорее вымирающим веткам эволюции.

Ждем прихода чего то мелкого, пушистого, и с большим мозгом.
silentpom
Sep. 20th, 2015 07:12 pm (UTC)
киты смотрят на вас удивленно
(no subject) - pz_true - Sep. 21st, 2015 02:20 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Sep. 21st, 2015 12:01 pm (UTC) - Expand
(no subject) - pz_true - Sep. 22nd, 2015 04:48 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Sep. 23rd, 2015 01:19 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Apr. 4th, 2016 05:43 pm (UTC) - Expand
pz_true
Sep. 20th, 2015 06:13 pm (UTC)
К стати а что там у ИТЭРа с управляющими устройствами?

Какое быстродействие? Я правильно понимаю, что состояние плазмы постоянно мониторится и корректируется магнитами?
Или там все тупо, включили магнит, он создал расчетно поле и держит его не влияя ни на что?
tnenergy
Sep. 20th, 2015 06:18 pm (UTC)
>Какое быстродействие? Я правильно понимаю, что состояние плазмы постоянно мониторится и корректируется магнитами?

Да, есть несколько петель быстрой обратной связи - всякая инжекция, управляющие магниты, нагрев. Вроде как скорости быстрых петель планируются на уровне 1,5 мкс, не помню точно, стоит посмотреть мою статью про CODAC. Я планировал написать про этот аспект (скоростное управление токамаками), но нашел только один диссер по тематике. Может как нибудь потом.
zviad_bigbachia
Sep. 20th, 2015 06:33 pm (UTC)
на душе малость потеплело)

PS
наверное, robust в первую очередь надёжный, отказоустойчивый...
tnenergy
Sep. 20th, 2015 06:43 pm (UTC)
Нет, думаю, создатели имели в виду "крепкий, мощный", намекая на ключевую особенность - доведенное до максимума давление поля. Про надежность и отказоустойчивость на таком этапе совсем ничего не понятно.
(no subject) - zviad_bigbachia - Sep. 20th, 2015 07:20 pm (UTC) - Expand
djkmomega
Sep. 20th, 2015 08:16 pm (UTC)
Дурацкий вопрос - как магнитное поле попадает внутрь тора, у него ведь железные стенки? Экранировка же!
tnenergy
Sep. 20th, 2015 08:21 pm (UTC)
Стенки из нержавейки, а она парамагнитна. Экранируют магнитное поле ферромагнитные материалы. Кстати, поле в несколько тесла железом не заэкранируешь - на 1.9Т оно насытится, и дальше будет прозрачно.
(no subject) - nick_55 - Sep. 20th, 2015 08:32 pm (UTC) - Expand
nick_55
Sep. 20th, 2015 08:28 pm (UTC)
Все замечательно, только, ИМХО, несколько увлеклись и не слишком акцентировали внимание на некоторых очень неприятных свойствах лент 2-го поколения, о коих мы говорили раньше. К тому же, работать они будут только в гелии, правда, Вы об этом и сами написали.
А для ловушек, опять же, ИМХО, альтернативы две: возможная ближайшая - диборид магния, коим в нашей стране, к сожалению, занимается лишь несколько прекрасных дам из ИФМ УРО РАН. И отдаленная - сверхпроводники на основе железа, ссылку на материал В.М. Пудалова найду позже.
Проблема компенсации пондеромоторных сил, на которую Вы совершенно справедливо обращаете внимание, существует в любом магните, но если в лабораторном соленоиде или небольшом рейстреке ее можно решить "подручными средствами", то в больших магнитах на ее решение идут едва ли не основные затраты. Так было в проекте 100 м СПИН в Висконсине, который так и не построили.
Андрей Гаврилов
Sep. 21st, 2015 12:02 pm (UTC)
про железо - интересно, ждем-с!
(no subject) - nick_55 - Sep. 21st, 2015 03:37 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Sep. 21st, 2015 10:18 pm (UTC) - Expand
(no subject) - nick_55 - Sep. 22nd, 2015 04:49 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Sep. 22nd, 2015 06:08 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 21st, 2015 05:56 pm (UTC) - Expand
(no subject) - nick_55 - Sep. 21st, 2015 06:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - the_blasted_one - Sep. 21st, 2015 08:45 pm (UTC) - Expand
ardelfi
Sep. 20th, 2015 10:38 pm (UTC)
Ясно что DEMO уже не будет. Похоже новое направление развития токамака -- увеличение силы поля до пределов ВТСП и несущих конструкций при сохранении или уменьшении размеров.

Интересно как уже применяется (или почему не применяется) размножение нейтронов на бериллии.
tnenergy
Sep. 23rd, 2015 08:49 pm (UTC)
Будет ли DEMO или не будет - странный вопрос. Под этим термином сегодня понимается содержание нескольких групп физиков/инженеров, которые придумывают наиболее реалистичные проекты токамаков - промышленных реакторов. Эти проекты вполне могут взять и превратится в ARC-подобные. Более того, одна версия ARIES (а это американские DEMO) так и сделала. Только FLiBe бланкета нет.

>Интересно как уже применяется (или почему не применяется) размножение нейтронов на бериллии.

В генераторах нейтронов применяется.
(no subject) - ardelfi - Sep. 24th, 2015 06:26 am (UTC) - Expand
solozhenitsyn
Sep. 21st, 2015 04:03 pm (UTC)
ВТСП токонесущие элементы для сверхпроводящей магнитной системы перспективного токамака DEMO
http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=1094
ВТСП для термоядерного синтеза: проблемы, альтернативы и преимущества
http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=1122
ВТСП для термоядерного синтеза: предложения, проекты, реализации
http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=1106
tnenergy
Sep. 21st, 2015 05:52 pm (UTC)
Странно слышать от КИ "для проекта DEMO". Единого проекта нет, есть немецкие DEMO (6 штук), японские, корейские DEMO, китайский национальный полу-DEMO (копия ИТЭР, на самом деле), американские ARIES (8 штук).

За ссылки спасибо.
(no subject) - Жора Весёлый - Sep. 21st, 2015 09:43 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Sep. 22nd, 2015 09:45 am (UTC) - Expand
_hellmaus_
Sep. 21st, 2015 11:03 pm (UTC)
Почему в ИТЭР не использовали жидкий бланкет?
И как они собираются сделать разъемными катушки из сверхпроводящей керамики?
tnenergy
Sep. 22nd, 2015 09:40 am (UTC)
>Почему в ИТЭР не использовали жидкий бланкет?

Ну, потому что задачи бридинга трития пока нет, а технических проблем такой жидкий бланкет привносит довольно много и главная из них - высокие рабочие температуры (530+ градусов), а значит, надо очень много материалов менять к существовавшим конструкциям. В ИТЭР решили ограничится верхней рабочей температурой бланкета в 400С.

>И как они собираются сделать разъемными катушки из сверхпроводящей керамики?

Это довольно большая тема. Дело в том, что в ВТСП невозможно сделать сверхпроводящий контакт из-за меньшей длинны когерентности. Получаются только оммические, пусть и с небольшим сопротивлением (наноомы). А такие можно сделать, сильно сжав ответные ленты. Вот статья на эту тему, еще.


(no subject) - Андрей Гаврилов - Apr. 4th, 2016 06:10 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Apr. 4th, 2016 06:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Apr. 5th, 2016 10:39 am (UTC) - Expand
quatrokms
Mar. 19th, 2016 09:34 am (UTC)
Если ток в плазме создается LHCD, то получается что центральный соленоид не нужен?
Я просто видел схемы где показаны токамаки без соленоида в центре бублика, вот хотелось бы понять, то ли это схемы были "кривыми", то ли это действительно так.
tnenergy
Mar. 19th, 2016 11:01 am (UTC)
Ну в ARC он будет для запуска: там за секунду или быстрее надо перекачать несколько десятков-сотен мегаджоулей в плазму для создания кольцевого тока.

Теоретически это можно делать радиочастотными системами (пробой и создание тока), но это скорее всего не оптимально.
(no subject) - quatrokms - Mar. 19th, 2016 11:28 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Mar. 19th, 2016 11:30 am (UTC) - Expand
insane_reader
Jan. 15th, 2017 11:56 am (UTC)
Прошло больше года, проясните вопрос: существуют ли сейчас ВТСП, функционирующие при температуре жидкого азота, из которых уже делают или могут сделать электромагниты аналогичные гелиевым в ИТЭР или запроектированным в ARC?
tnenergy
Jan. 15th, 2017 12:14 pm (UTC)
Нет, но существуют ВТСП электромагнитны с нужными характеристиками при температуре жидкого гелия (как и планировалось в ARC). Рекорд на сегодняшний день - 26 Т на REBCO ленте.
( 45 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

February 2018
S M T W T F S
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728   
Powered by LiveJournal.com