?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Q: Что такое ITER?

A: ITER (ИТЭР, International Thermonuclear Experimental Reactor) - экспериментальный термоядерный реактор на базе концепции токамака. Проектирование в несколько подходов (разных вариантов) шло с 1992 по 2007 год, сооружение - с 2009 по настоящее время (и продолжается). Токамак ИТЭР будет примерно вдвое больше предшественников по всем размерам, примерно в 10 раз объемнее и тяжелее, в 15 раз дороже, и в 25 раз мощнее с точки зрения термоядерной мощности.


Q: Какие у него цели?

A: Набор основных задач ИТЭР можно ранжировать так


  • Продемонстрировать возможность управляемого термоядерного синтеза с временем горения и мощностью промышленного масштаба.


  • На практике столкнуться и решить инженерные вопросы создания термоядерного реактора промышленного масштаба - при всей банальности это одна из важнейших и сложнейших задач ИТЭР, без которой невозможно понимание перспектив развития термоядерных электростанций в целом.


  • Исследовать оставшиеся вопросы физики плазмы токамаков, в т.ч. возможно найти какие-то ее особенности, которые упростят создание промышленных термоядерных реакторов.


  • На практике разработать и опробовать технологию размножающих тритий бланкетов - совершенно необходимая деталь для токамаков, ориентирующихся на термоядерную реакцию слияния дейтерия и трития.


  • Накопить опыт организации строительства и эксплуатации термоядерных реакторов/электростанций



Q: А какая мощность у ИТЭР?

A: Начнем с того, что ИТЭР не будет вырабатывать электроэнергию - все тепло будет просто сбрасываться в градирни системы охлаждения. Турбина оказалась малосовместима с импульсными режимами работы, которые освоены для токамаков на сегодня (о них ниже) и интересами ученых. Поэтому получается, что мощностей у ИТЭР довольно много, давайте их перечислим:


  • Мощность сбрасываемая в градирни всеми источниками тепла, максимальная - 1150 мегаватт.


  • Мощность, выделяющаяся в плазме в разных режимах токамака от 250 до 700 мегаватт.


  • Из них мощность термоядерной реакции от 200 до 630 мегаватт, а остальное вкладывается системами нагрева плазмы.


  • При этом сам ИТЭР потребляет значительную мощность от “розетки” - порядка 600 мегаватт в момент горения (или как его называют - выстрела) плазмы и около 110 мегаватт при подготовке


  • Еще большее количество энергии циркулирует в системе электропитания сверхпроводящих магнитов - из-за необходимости изменять ток в магнитах во время плазменного выстрела в системе магниты - реактивная компенсация гуляет около 2 гигаватт реактивной мощности. Из “розетки” эта система потребляет около 250 мегаватт, входящих в 600 общего потребления.


Таким образом, получается, что хотя с физической точки зрения ИТЭР, его термоядерная мощность в 10 раз превосходит мощность нагрева, с инженерной точки зрения ИТЭР не дотягивает даже до единицы. Однако связано это скорее не с принципиальной невозможностью, а оптимизацией затрат - пока выгоднее сделать токамак импульсным и не вырабатывающим энергию.


Q: А что значит импульсный? Сколько времени будет длиться “импульс” в ИТЭР?

A: Одной из важных составляющих удержания плазмы в токамаке является кольцевой ток, который течет в этой плазме. Изначально, для простоты он всегда поддерживался по принципу трансформатора - если мы поместим в центр токамака большую катушку (называемую центральный соленоид или индуктор)  и начнем изменять в ней ток, то по плазме потечет ток. Такой режим называется индуктивным. Однако таким образом можно поддерживать ток плазмы ограниченное время - пока ЦС перекидывается от максимального к минимальному значению тока в себе (в случае ИТЭР это будет от +55 килоампер до -55 килоампер. К сожалению, что бы развернуть процесс обратно, нужно поменять направление тока плазмы, на что уйдет слишком много энергии, что бы это было разумным). В ИТЭР используется абсолютно рекордный центральный соленоид массой ~1000 тонн, и его запаса энергии хватает  на 400 секунд горения на номинальной мощности 500 мегаватт, или 100 секунд с током плазмы 17 мегампер, при котором мощность будет ~700 мегаватт.


Существует возможность и поддержания тока плазмы с помощью радиочастотных систем и инжекторов нейтрального пучка, вплоть до полностью неиндуктивного режима, когда центральный соленоид не задействуется. Такие режимы были продемонстрированны на токамаках и будут внедрены на ИТЭР


На первой стадии ИТЭРу будут доступны гибридные режимы с мощностью до 400 мегаватт при длительности 1000 секунд, после апгрейда 3 инжектором нейтрального пучка и нижегибридным радиочастотным нагревом - полностью неиндуктивные, до часовых “импульсов” горения на мощности 400 мегаватт - и тут ограничениями уже выступают буферные емкости криосистемы и системы охлаждения.


Q: ИТЭР не будет иметь турбогенератора для выработки электроэнергии? Но неужели нет других получать электричество из энергии термоядерного горения?

A: Как я уже отметил выше - турбогенератора у ИТЭР нет в основном по причинам не желания привносить еще и проблемы энергогенерации в инженерно-физическую установку.


Другие варианты, кроме классической паротурбинной схемы есть. Однако необходимо вспомнить, что 86% энергии термоядерной реакции дейтерий-тритий уносится нейтронами, и извлечь из них энергию можно только затормозив их в куске материала, который от этого нагреется. Получается, что для дейтерий-трития единственными вариантами с высоким кпд остаются тепловые машины - будь то паротурбинная установка или газотурбинная или парогазовая.


Для других видов термоядерных реакций распределение каналов ухода энергии из плазмы другое. Если посмотреть на 3 основные альтренативы дейтерий-тритию DT: DD, DHe3, pB11 - то здесь основным каналом потери становится электромагнитное излучение - от СВЧ радиоволн до жесткого рентгена в случае pB11. Теоретически здесь как минимум часть энергии можно получать с помощью каких-то аналогов солнечных батарей (фотовольтаики), но на сегодня эта тема плохо изучена. Еще одним механизмом может быть отбор части горячей плазмы и прямое преобразование ее энергии в электричество, устройства, способные это делать существуют и испытывались на плазменных устройствах (открытой ловушке Gamma-10). Однако инженерные перспективы подобного подхода и совместимость с необходимостью управления плазмой пока неясны.


Q: А что с топливообеспечением? Тритий - искусственный элемент с периодом полураспада 12 лет, где ИТЭР возьмет его?

A: Сегодня в мире основными наработчиками трития выступают тяжеловодные реакторы CANDU, из которых извлекают порядка 2 кг трития в год. ИТЭР потребует 3 кг для зарядки всех своих тритиевых подсистем, и примерно 1 кг за каждый год работы. Т.е. пока тритий потребляет только ИТЭР и работают CANDU - проблем нет. Однако если термоядерные реакторы на принципе DT токакмаков продолжат развиваться, то им понадобится самообеспечение по тритию, для чего на ИТЭР будет отрабатываться технологии размножающего бланкета, в котором потоком нейтронов из плазмы изотоп Li6 будет делиться с получением трития.


Q: А когда ИТЭР наконец построят и запустят? И сколько он стоит?

А: Проект международного термоядерного реактора очень долго не мог выбраться из обсуждений, доработок и переделок, и только в последние пару лет строительство и производство компонентов набрало темп. Сегодня начало сборки реактора в шахте намечено на 3 квартал 2019 года, а окончание и первый запуск - на декабрь 2025. Однако первый запуск будет на “голой” машине, лишенной основной части систем диагностики (изучения) и нагрева плазмы и возможности работать с тритием. После первой плазмы ИТЭР предстоит еще 8-10 лет в зависимости от финансирования, чтобы добраться до штатного оборудования и зажечь наконец термоядерную реакцию мощностью 500 мегаватт.

Стоимость ИТЭР в свою очередь - очень сложная материя. По идее просуммировать расходы участников, но не все они достоверно известно, кроме того финансирование ведется по сложной схеме - основная денег тратится на разработку и производство оборудования, которая каждая из стран обязалась поставить в проект в натурном виде, а часть передается деньгами в общий "котел" для работ международного агенства ИТЭР, которое занимается проектированием части машины, координацией, сборкой и т.п. Общие расходы сейчас оцениваются в 22 миллиарда евро, что автоматически ставит ИТЭР на первое место по стоимости среди научных установок.


Q: Вроде как у термоядерных реакторов есть проблемы со стойкостью материалов. Есть ли оценки сколько часов/лет работы реактора на полной мощности выдержат без особого структурного повреждения стенки реактора (тора токамака) из специальной стали?


A:Термоядерная плазма опасна для конструкций реактора, обращенной к ней электромагнитным и нейтронным излучением. Электромагнитное излучение поглощается интенсивно охлаждаемыми металлическими поверхностями, и грозит перегревом (короблением, плавлением и т.п.) только в случае отказа охлаждения.


С нейтронным потоком сложнее: мгновенный поток очень жесткий из-за высокой энергии нейтронов (в 14 раз выше, чем в быстром реакторе), и довольно высокий флюэнс (плотность потока нейтронов), всего в 10 раз ниже, чем пиковый в ядерном реакторе.


Но при этом интегральная величина за время работы не так велика — ИТЭР же импульсный и экспериментальный, а это важно для оценки степени повреждений материала.


В итоге, живучесть первой стенки (а это основная деталь, подверженная электромагнитными и нейтронным нагрузкам) — 5 лет, причем определяется не структурными повреждениями как таковыми, а в основном плазменной эрозией и деградацией медного теплоотводящего основания (тут уже как раз из-за нейтронов). Для сравнения — нагрузка ПС до съема будет 0,3 с.н.а, а нагрузка, скажем, выгородки ВВЭР-1000 до съема — 30 с.н.а., нагрузка оболочек твэлов в быстром реакторе — 60 с.н.а. и в перспективных материалах — 100+ с.н.а.


Однако при достижении коммерчески интересных параметров термоядерного реактора повреждения внутренних конструкций излучениями плазмы становятся определяющими. Для поиска новых материалов в японии сооружается новая лаборатория IFMIF.

Q:Поясните про пятилетний ресурс первой стенки. Что потом? Или 40 лет строим 5 лет эксплуатируем?
A:
Первая стенка и дивертор (который будет иметь срок службы 10-15 лет) сменные. Замена будет проводиться роботизированной системой обслуживания.


Q: Говорят, что ИТЭР дает чистую энергию, т.е. без радиации, как у ядерных реакторов. Но если есть нейтроны, то по идее это не так?


A: ИТЭР будет ядерно-опасным объектом, но заметно менее опасным, чем ядерные реакторы. У меня есть специальная статья, сравнивающая эти два типа.

Comments

apollo_musaget
Sep. 26th, 2016 06:56 am (UTC)
Образованный, но неумный человек подобен говорящей птице. Он способен воспроизводить чужие звуки при наступлении определенных обстоятельств. Поэтому не надо цитировать Булгакова. Кроме того, указывать на ничтожность оппонента - самый последний и самый некудышный прием ведения дискуссии.

Термоядерная бомба.Бомба в которой дейтерит лития способствует вовлечению в реакцию отвальный Уран?
Эту штуку смастерили через 10 лет после того как Отто Ганн ненароком открыл цепную реакцию деления Урана. И сразу подтянулись энтузиасты ... Причем их энергия и энтузиазм практически всегда превосходили понимание. Чего только стоит первая установка по обогащению на которую ушло 10000 тонн серебра и которая за год выдала 1.5 кг продукта! Это говорит о том, что на момент все эти гении не понимали элементарной физики.

Знаете ли, история создания атомного оружия весьма занимательна. Это подлинная трагикомедия.
sceptikk
Sep. 26th, 2016 07:01 am (UTC)
я немного в курсе истории создания яо)
а ваша фраза про то, "как дейтерит лития способствует вовлечению в реакцию отвальный Уран"
просто великолепна, и отлично показывает ваш уровень понимания темы...)
на досуге посчитайте, сколько "отвального урана" нужно для создания бомбы мощностью в 50 Мт
apollo_musaget
Sep. 26th, 2016 07:17 am (UTC)
Реа́кция Дже́кила — Ха́йда — ядерная реакция деления ядер обычно устойчивого к делению урана-238 быстрыми нейтронами, образующимися при взрыве термоядерного заряда. Включение в термоядерный заряд элементов из урана-238 позволяет намного (до пяти раз) повысить общую мощность взрыва, но значительно (в 5—10 раз) увеличивает количество радиоактивных осадков[

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%94%D0%B6%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%E2%80%94_%D0%A5%D0%B0%D0%B9%D0%B4%D0%B0


сколько "отвального урана" нужно для создания бомбы мощностью в 50 Мт? Всё зависит от КПД. Т.е. от процента вещества, который удалось вовлечь в цепную реакцию деления. У "классической" атомной бомбы этот КПД менее одного процента.

Каков был КПД у т.н. "Царь-бомбы" мне неизвестно. Но её массо-габаритные х -ки вполне допускают даже несколько тонн изотопа 238.
tnenergy
Sep. 26th, 2016 08:03 am (UTC)
>Каков был КПД у т.н. "Царь-бомбы" мне неизвестно. Но её массо-габаритные х -ки вполне допускают даже несколько тонн изотопа 238.

Несколько тонн недостаточно. Нужно что что бы она вся состояла из U238, что бы его энерговыделения хватило, и даже чуть больше. Осталось понять, почему это вдруг болванка из U238 способна взорваться с мощностью 50 Мт.



Edited at 2016-09-26 08:06 am (UTC)
apollo_musaget
Sep. 26th, 2016 08:15 am (UTC)
Вы как-то лихо сосчитали, что несколько тонн недостаточны. Без всяких промежуточных выкладок и обременительных нюансов.

Схема Теллера-Улама позволяет понять почему ОБОЛОЧКА из U 238 под воздействием потока быстрых нейтронов от синтетически прореагировавшего ( с ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ энергетическим дебитом) дейтерита лития и фронта температуры и давления от плутониевого стержня( не путать с триггером) вовлекается в цепную реакцию деления.
tnenergy
Sep. 26th, 2016 08:26 am (UTC)
Нюансы будут, после того, как вы напишите все термоядерные реакции вторичного узла, и их характеристики. А то после срыва покровов как-то неловко брать исходные данные по спектру и выходу нейтронов из дейтерида лития из учебника - вы же постулировали, что они неправильные?
apollo_musaget
Sep. 26th, 2016 08:36 am (UTC)
Какая-то специфическая логика. Почему я должен отрицать эмпирически реальные феномены( нейтронный поток) на основании того,что их кто-то и с какой-то целью неверно интерпретировал широким массам образованной публики?
Я же не виноват в низком уровне критичности образованных из чужих букв умов? Феномены тоже неповинны.
tnenergy
Sep. 26th, 2016 08:47 am (UTC)
>Почему я должен отрицать эмпирически реальные феномены( нейтронный поток)

Я не понял, откуда вы взяли нейтронный поток в термоядерном узле? Не из того же учебника, где рядом с нейтронным потоком написано "D + T = He4 + n +17,6 МэВ"? Или может сами измерили?

Раз уж вы решили построить свою физику, то как я написал выше - должны привести свой набор реакций, что бы можно было посчитать выход нейтронов и энергии.

30 урана 238 были посчитаны исходя из идеи фоторасщепления дейтерия гамма-излучением первичного узла и Кэфф 0,38 урановой сборки.
apollo_musaget
Sep. 26th, 2016 08:57 am (UTC)
Ну, а я напишу - 17МэВ. Это всё ДОСТУПНАЯ схоластика и практически ничего не говорит о том как реально работает устройство.

Знаете, есть моменты ускоренной сьёмки на которых на сфере проглядывает выпуклость от взрывной волны триггера.
Нужно просто снять спектры. Это будет экспериментальное доказательство. А вот если спектры совпадут, то тогда гипотеза о выделении энергии через синтез ИМХО является неправдоподобной.
tnenergy
Sep. 26th, 2016 10:09 am (UTC)
>Это всё ДОСТУПНАЯ схоластика и практически ничего не говорит о том как реально работает устройство.

Что-то много демагогии. Если вы считаете, что термоядерной реакции с положительным энерговыходом нет, то у вас должна быть идея, откуда взяты эти нейтроны. Если считать, что у вас оптически плотная оболочка U238 (скажем, 3 дифуззионные длины - 48 см), то можно взять половину нейтронов в самом U238 и нужно изначально "всего-то" 3*10^27 нейтронов. Если толщина оболочки меньше - то количество первоначальных нейтронов экспоненциально растет.

30 тонн посчитано в предположении, что из циллиндра диаметром 40 см и длиной 100 см вылетает это количество нейтронов с энергией выше 1 МэВ.

Вот вам сразу и энергобаланс и габариты и требования к нейтронам - обосновывайте, что термоядерной энергии не существует)

>Знаете, есть моменты ускоренной сьёмки на которых на сфере проглядывает выпуклость от взрывной волны триггера.

Смешно, право. На ускоренной съемке вы видите распределение гамма-излучения, ионизирующей атмосферу, а не взрывные волны от каких-то устройств атомной бомбы.

>Нужно просто снять спектры.

Очень конкретно.


thorgeir
Sep. 28th, 2016 06:03 am (UTC)
Спектры снимали еще на РДС-6 в Семипалатинске. И хотя вклад непосредственно термояда конкретно на этом устройстве был невелик, нейтроны в 14Мэв достоверно зарегистрировали. Такшта... ;)
А вообще санитары пошли какие-то неправильные, у поциЭнтов гаджеты с вайфаем не отбирают.
sceptikk
Sep. 26th, 2016 10:29 am (UTC)
я тут несколько отвлекся от дискуссии, и за это время вам удалось увести ее в сторону, зачем-то углубившись в технологии 3 ступени термоядерного заряда.
хотя принципиальным показателем термоядерного заряда является именно вторая ступень, которая использует реакции синтеза (положительный выход энергии от которых вы упорно отрицаете), и высокоэнергетическое нейтронное излучение от которой запускает быстро-нейтронный распад U238...
казалось бы, если экзотермической реакции синтеза не существует, то зачем же ее тогда вообще используют в ТЯ-заряде???

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

April 2019
S M T W T F S
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930    
Powered by LiveJournal.com