?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

В этом году в Курчатовском институте ожидают поступление ключевых элементов нового токамака Т-15МД: вакуумной камеры с уже смонтированной магнитной системой. Хотя проект называется модернизацией, по сути это будет первая за последние 20 лет новая термоядерная установка в России.


Проектное изображение Т-15МД. В центре видна (темно-серая) вакуумная камера тороидальной формы, стрелочками подписаны разные магниты магнитной системы токамака.


Вложение приличных денег (2,5 миллиарда рублей) в еще один (наряду с ИТЭР) токамак может показаться неразумным на фоне концептуальной тупиковости машин такого размера, тем не менее это очень важный шаг для поддержания отечественной школы плазмистов и УТС. Кроме того, участвуя в ИТЭР, необходимо иметь токамак достаточных размеров, на котором можно отработать некоторые из идей, прежде чем испытывать их в большой международной лаборатории (и наоборот, углублять понимание данных, полученных на ИТЭР).


Для начала стоит вспомнить Т-15, который “модернизируется” в ходе данного проекта (в кавычках это, потому что Т-15МД - это абсолютно новая машина на площадке Т-15, а не модернизация). К моменту принятия решения о строительстве Т-15 СССР начал ощутимо терять лидерство в теории и практике токамаков. Проигрывая JET и TFTR в размерах, Т-15 должен был выигрывать за счет сверхпроводящих тороидальных магнитов, что позволяло сильно удлинить плазменные импульсы и получить плазму высокой плотности и температуры. Для этого было необходимо создать рекордные для начала 80х сверхпроводящие магниты с диаметром около 2 метров и полем на обмотке в 6,5 Т из технологически сложного сверхпроводника Nb3Sn. НИОКР, изготовление и сборка токамака заняла 7 лет.



Монтаж центрального солейноида в Т-15, 80е годы.

К сожалению, судьба Т-15 сложилась очень печально. Он был изготовлен с ошибками в системе криогенного охлаждения, еще больше проблем оказалось у вакуумной камеры, которая текла и не позволяла достичь необходимого вакуума. В итоге с 1988 по 1995 удалось “пощупать” только инжерную область параметров - короткие импульсы в 1 секунду с током до 1 МА (при планируемом 2 МА и десятках секунд).


Что характерно, к моменту пуска Т-15 в мире появился конкурент, французский сверхпроводящий токамак Tore Supre, с очень похожими размерами и идеологией. И именно ему принадлежит сегодняшний рекорд по длительности плазменного импульса - порядка 1000 секунд.


Tore Supra во время апргрейда в диверторную конфигурацию (как раз установку опоры дивертора внизу мы видим) под названием WEST. Видно, что Tore Supra гораздо более горизонтально вытянут, чем планируемый Т-15МД.


За прошедшее время Т-15, конечно, устарел и морально, и по задачам. Поэтому в рамках “модернизации” команда Курчатовского института во главе с Э.А.Азизовым в свое время предложила на месте Т-15 создать токамак Т-15МД. В новой машине для снижения стоимости и сложности не используются сверхпроводники - магнитная система намотана медным проводником с водяным охлаждением. Новый токамак почти сферический, что позволит поднять плотность и температуры плазмы в тех же габаритах (точнее говоря, плазма остается стабильной при бОльшем отношении давления плазмы к давлению магнитного поля), что и для старого Т-15. Вообще сферичность (или правильнее - аспект) токамака является интересным компромиссом - уменьшая аспект (т.е. делая токамак более сферическим) мы можем поднять давление плазмы при том же поле, но и поле у нас начнет уменьшаться, потому что в центре будет оставаться все меньше места для магнитов. Так, для сферических MAST и NSTX характерные значения тороидального поля - в районе 0.5-0.8 Т, при этом габаритные ограничения не позволяют поднимать поле за счет размещения сверхпроводящих магнитов.


Сверхпроводящий модуль советского токамака Т-15 с двумя тороидальными катушками во время сборки.

Основные параметры нового токамака, большой радиус R=1,5 м и малый радиус a=0,5 м, достижимая плотность 10^20 частиц на кубометр, максимальный ток плазмы в 2 МА и достижимые температуры электронов и ионов 5-9 кэВ, позволяют его поставить в топ 7 работающих на сегодня в мире установок. Конкретнее,  однозначно круче выглядят европейский JET, полностью сверхпроводящий корейский KSTAR, примерно аналогичная китайская машина EAST, и пущенный в ноябре 2016 обновленный Tore Supra, который теперь называется WEST.



Однако Т-15МД вполне можно будет поставить в один ряд с такими машинами, как  американские D-IIID и NSTX, немецкий ASDEX-U и  английский MAST, т.е. Т-15МД получается примерно как топовые национальные машины, введенные в строй до 2000 года.


Еще лучше позиция Т-15МД среди сферических токамаков, если все же отнести его к сферическим - третье место.


Важным апгрейдом является появление дивертора в Т-15. Дивертор - это устройство для контролируемого непрерывного “слива” части плазмы, что позволяет с помощью непрерывной рециркуляции поддерживать ее чистоту. Это устройство, обычно выполненное в виде кольца внизу или вверху вакуумной камеры абсолютно необходимо для достижения длительных высокопараметрических режимов горения плазмы, однако оно же и самое уязвимое. В любой ситуации, когда энергия плазмы аварийно высвобождается (при срывах или ELM-неустойчивостях), она идет вдоль линий магнитного поля преимущественно на дивертор, который должен выдерживать чудовищные тепловые нагрузки (до десятков гигаватт на метр квадратный в течении миллисекунд).


Разрез Т-15МД и модель вакуумной камеры. На разрезе отмечен дивертор и сепаратриса - место размыкания линий магнитного поля, через которые "утекает" плазма.


Физика и технология дивертора крайне непроста и местами до сих пор плохо изучена. И именно с приходом Т-15МД у Российских физиков наконец появится возможность полноценно вести исследования взаимодействия плазмы и дивертора.


Учитывая доминирование темы ИТЭР в жизни российских плазмистов, было так же принято решение о конфигурации Т-15МД таким образом, чтобы получить по основным геометрическим и плазменным параметрам ¼ ИТЭР, что позволяет проще обрабатывать сценарии ИТЭР на отечественной машине, в том числе все современные задачи токамачной науки (срывы и МГД-неустойчивости, взаимодействие инжекции нейтралов и плазменных волн, H-моду и ELM-неустойчивости, их подавление, запуск токамака электрон-циклотронным разрядом).


Еще одной важной новинкой для отечественных физиков должны стать режимы неиндуктивного поддержания тока - наряду с дивертором одна из важнейших и горячих тем для мирового токамачного сообщества, в т.ч. Этому может помочь весьма мощный набор систем внешнего нагрева плазмы, доставшийся “в наследство”, включающий 7 мегаватт 112-гигагерцовых гиротронов и 3 инжектора нейтрального пучка изготовления (плюс один новый диагностический инжектор производства ИЯФ). В дальнейшем, если будут позволять финансы, к этому добавится две радиочастотные системы: 6 мегаватт нагрева за счет ион-циклотронного резонанса и 4 мегаватта нижнегибридного (2,45 ГГц) резонанса (частота позволяет собрать эту систему из пары тысяч промышленных микроволновок :)). С другой стороны, медная магнитная система никогда не позволит повторить рекорды EAST, KSTAR или Tore Supra в сотни и тысячу секунд, ее предел 20-30 секунд, после чего достигается максимальная рабочая температура и магнитны нужно отключать.


Отечественный гиротрон (АО "Гиком") во время установки на немецком токамаке ASDEX-U. Похожие будут использованы на Т-15МД.


В целом, медная магнитная система при общей дешевизне имеет несколько серьезных минусов - прежде всего это ограничение на длительность работы (10 секунд на максимальном токе и соответственно, поле) и большую потребляемую мощность (около 250 мегаватт, включая реактивную мощность). Под эту мощность в Курчатовсккий Институт заказал у промышленности активные тиристорные выпрямители и реконструирует подстанции 110/10 кВ. Интересно, что потребовалось совместное с МОЭСК моделирование, чтобы убедится, что набор 300 МВт нагрузки за 5 секунд не обрушит московскую энергетику.


Моделирование напряжения, тока и температуры в тороидальных катушках во время 10-секундного запуска.


Электромагнитная система Т-15МД состоит из 16 тороидальных и 6 полоидальных катушек, 3 секций центрального соленоида и 4 корректирующих катушек. Медно-серебряный проводник тороидальных катушек размером 22,5х32 мм имеет отверстие D10.5 мм для прокачки охлаждающей воды. Для других катушек используются сопоставимые проводники.


Все эти катушки были успешно намотаны в 2014-2015 годах в НИИЭФА и на Брянском предприятии “ГКМП” и собраны в корпусах из нержавеющей стали. В прошлом году, кроме того, была проведена контрольная сборка ЭМС необходимая для выверки взаимного расположения магнитов, заданная физиками как +-1 мм допуска.


"Клетка" из тороидальных магнитов и корректирующие катушки (оранжевые)


Внутри электромагнитной системы будет расположена вакуумная камера из нержавеющей стали сложной вытянутой формы с более чем 100 отверстиями для технологических систем и диагностик. Вакуум обеспечивается 4 турбомолекулярными насосами и 2 криосорбционными помпами. В отличии от сверхпроводящих токамаков, здесь отпадает нужда в втором вакуумированном сосуде (криостате) и криогенных тепловых экранах для теплоизоляции катушек от атмосферы и вакуумной камеры.


Как обычно, в высоковакуумных устройствах, вакуумная камера Т-15МД оборудована греющим проводом для обеспечения дегазации поверхностей.


Вакуумная камера Т-15МД в процессе сборки.


Новый российский токамак будет оборудован лимитерами (диафрагмами, ограничивающими форму плазменного шнура на начальных этапах формирования) и дивертором из углерода, что в общем-то прошлый век (сейчас все токамаки переходят на полнометаллические камеры с бериллием и вольфрамом), но тут уж видимо все упирается в технологически и финансовые возможности - в любом случае, сделать вслед за Tore Supra и JET апргрейд на металлический дивертор и лимитер будет не так сложно, как построить новую машину.


Научное оборудование Т-15МД. Здесь черным показаны траектории зондирующих центральную плазменную часть ионов Титана.


Т-15МД будет оборудован разнообразным научным оборудованием для получения параметров плазмы - прежде всего пятью сотнями датчиков магнитного поля, позволяющими понять магнитогидродинамику плазмы, болометрическими матрицами, получающими карты ИК-излучения плазмы, диагностическим пучком тяжелых ионов, позволяющим измерять распределение потенциала, плотности (и отсюда - турбулентности) плазмы, системой томпсоновского рассеяния на электронах, измеряющей температуру и плотность электронов, диагностическим пучком нейтральных атомов водорода, позволяющим измерять с высоким пространственным разрешением температуру, плотность и скорости ионов, наконец матрицами для приема мягкого рентгеновского излучения.


Последняя запущенная в России термоядерная установка - сферический токамак Глобус-М


Текущие планы по сооружению Т-15МД включают в себя получение на площадке в мае этого года вакуумной камеры и электромагнитной системы, оборудование вспомогательных систем токамака в 2017-2019 с пуском в 2019 году, хотя скорее всего эти планы будут сдвинуты вправо. Впрочем, учитывая, что предыдущий токамак в России  - небольшой сферический Глобус-М в питерском ФТИ был запущен в 1999 году, можно сказать, что это произойдет совсем скоро.

Comments

( 88 comments — Leave a comment )
Page 1 of 2
<<[1] [2] >>
alexbreeze
Feb. 27th, 2017 02:02 pm (UTC)
очередная позитивная новость это +!
Не совсем понял -если возможно удерживать плазму до 15 минут почему не запускается термоядерная реакция? аппарат не приспособлен для этого? или характеристик плазмы не хватает?
tnenergy
Feb. 27th, 2017 02:52 pm (UTC)
А в нем в этих прогонах идет термоядерная реакция, просто очень низкой мощности. Обычно измеряют в отношении вкачиваемой энергии к энергии термоядерной реакции, и вот у Tore Supre из-за слишком холодной и малоплотной плазмы, а так же отсутствия возможности работать с тритием энерговыхода почти нет. Это научная установка, по сути.
ardelfi
Feb. 27th, 2017 02:23 pm (UTC)
Помогите пожалуйста понять логику этого решения.

> Т-15МД получается примерно как топовые национальные машины, введенные в строй до 2000 года
> что в общем-то прошлый век
> Последняя запущенная в России термоядерная установка - сферический токамак Глобус-М

Каким образом оказалось наилучшим выбором построить устаревший на 20+ лет "новый токамак на все термоядерные деньги" вместо хронически недофинансированной передовой ловушки, или вместо вроде как перспективного (на западе) сферического токамака, и в дополнение к уже строящемуся тупиковому токамаку большего размера, в котором РФ участвует и имеет доступ к дизайну и экспериментам?
tnenergy
Feb. 27th, 2017 02:44 pm (UTC)
Это, к сожалению, только вам понятно, что перспективное, а что нет в области УТС. Серьезные ученые руку на отсечение не дают. Известно только, что по тройному параметру токамаки обгоняют конкурентов в десятки раз, а с пуском ИТЭР эта пропасть может вырасти (если не случится чуда). Поэтому деньги консервативно выделяются в направление, которое показало свою эффективность.

(no subject) - ardelfi - Feb. 27th, 2017 03:14 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 04:01 pm (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Feb. 27th, 2017 04:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 04:32 pm (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Feb. 27th, 2017 04:50 pm (UTC) - Expand
;))) - bmpt - Feb. 27th, 2017 05:12 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 05:22 pm (UTC) - Expand
(no subject) - elf_wired - Feb. 28th, 2017 06:12 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Feb. 27th, 2017 04:58 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Feb. 27th, 2017 04:45 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Feb. 27th, 2017 03:22 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 04:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Feb. 27th, 2017 05:17 pm (UTC) - Expand
valkoval2
Feb. 27th, 2017 02:32 pm (UTC)
Эх! Всю жизнь мечтал работать на токамаке. Это сколько там меди! Пили потихонечку и радуйся. С нержавейкой тоже можно, но осторожно.
tnenergy
Feb. 27th, 2017 02:45 pm (UTC)
(no subject) - valkoval2 - Feb. 27th, 2017 03:20 pm (UTC) - Expand
(no subject) - simsun - Feb. 27th, 2017 03:56 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 03:57 pm (UTC) - Expand
kincajou
Feb. 27th, 2017 02:38 pm (UTC)
т.е. российский токамак более пончикоподобный, а франзцуский - баранкоподобный

но ведь у баранки больше соотношение площади к объёму?
tnenergy
Feb. 27th, 2017 02:48 pm (UTC)
Важно не только отношение площади к объему, которое у низкоаспектных лучше, но и поведение плазмы. В токамаке плазма закручена вокруг полоидального обхода и условно говоря "более жесткая" если этот обход не как баранка, а как яблоко. Получается более устойчивая конструкция, для которой нужно меньшее давление магнитного поля при котором оно начнет разрушатся.
(no subject) - kincajou - Feb. 27th, 2017 03:10 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 03:34 pm (UTC) - Expand
denocorvinus
Feb. 27th, 2017 02:39 pm (UTC)
а ignitor всё?
tnenergy
Feb. 27th, 2017 02:49 pm (UTC)
На него не выделили денег, и новых раундов финансирования мегасайнс на горизонте не видно. Учитывая, что отцы основатели IGNITOR уж очень пожилые, видимо - все.
greymage
Feb. 27th, 2017 02:50 pm (UTC)
Складывается впечатление, что строят просто для того чтобы хоть что-то было.
tnenergy
Feb. 27th, 2017 02:54 pm (UTC)
Строят, что бы
а) не растерять школу термоядерщиков в КИ
б) потому что во главе КИ сидить Ковальчук с большими лобисткими возможностями. При этом ИТЭР для России в 15 раз дороже, чем Т-15МД, а Т-15МД в 15 раз дороже, чем все расходы ИЯФ на термояд.
(no subject) - jr0 - Mar. 3rd, 2017 06:55 pm (UTC) - Expand
wood_morr
Feb. 27th, 2017 03:04 pm (UTC)
А почему частота гиротронов 112 ГГц при магнитном поле в токамаке 2 тесла? Частота электронно-циклотронного резонанса же вдвое меньше.
tnenergy
Feb. 27th, 2017 03:31 pm (UTC)
Вторая гармоника. Не так эффективно, но тут какие гиротроны есть, такие и используются.
(no subject) - wood_morr - Feb. 27th, 2017 04:52 pm (UTC) - Expand
moralg
Feb. 27th, 2017 03:41 pm (UTC)
Т-15 уже к середине 70-х был уже наполовину в железе. И тогда же начали было развивать проект демонстрационного Т-20. Прекращенный в начале осени 1976-го. Что резко изменило мою и ряда моих друзей траекторию в науке. После чего о Т-20 мне слышать не приходилось. И вот теперь слышу о Т-15МД. Почему делается не хотя бы полушаг вперед?
tnenergy
Feb. 27th, 2017 03:56 pm (UTC)
Полушаг вперед - это ИТЭР А на другие денег нет.
(no subject) - moralg - Feb. 27th, 2017 06:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 06:49 pm (UTC) - Expand
(no subject) - moralg - Feb. 27th, 2017 06:58 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 07:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 07:33 pm (UTC) - Expand
(no subject) - moralg - Feb. 27th, 2017 07:35 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 07:38 pm (UTC) - Expand
(no subject) - moralg - Feb. 27th, 2017 07:51 pm (UTC) - Expand
zvukozaychik
Feb. 27th, 2017 03:50 pm (UTC)

Отличная новость, если все будет завершено по плану, то это будет просто праздник какой-то.

nestoklon
Feb. 27th, 2017 04:13 pm (UTC)
По поводу Глобус-М. Его в данный момент тоже "модернизируют", по факту строят Глобус-М2. На это дали денег в позапрошлом что ли году, и сейчас вроде как заканчивают сборку. Ничего лучше https://vk.com/globusioffe с ходу не нашёл -- большая часть информации у меня от одноклассника, который занимается бюрократией этой стройки и перепощивает особенно важные новости оттуда.
tnenergy
Feb. 27th, 2017 04:25 pm (UTC)
Интересно, спасибо, слышал только что намечается модернизация, а тут новый заканчивают строить.
i22gor
Feb. 27th, 2017 04:27 pm (UTC)
Истинно говорю, доиграются!
Откроют дверь в АдЪ!!!
nivanych
Feb. 27th, 2017 04:28 pm (UTC)
Возможно, стоит добавить про исследования термоядерного источника нейтронов.
http://2010.atomexpo.ru/mediafiles/u/files/Present/9.2_KHvostenko.pdf
Моожет быть, удастся показать какие-то возможности к построению эффективных подкритических реакторов.
tnenergy
Feb. 27th, 2017 04:36 pm (UTC)
Т-15МД имеет отношение к гибридным реакторам и ТИН только в презентациях, в реальности - никакой связи.
(no subject) - nivanych - Feb. 27th, 2017 04:37 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Feb. 27th, 2017 04:39 pm (UTC) - Expand
(no subject) - nivanych - Feb. 27th, 2017 10:18 pm (UTC) - Expand
kasnv
Feb. 27th, 2017 05:17 pm (UTC)
Хорошая статья, очень позитивная. И картинки интересные.
Только на первой картинке показана старая конструкция центрального соленоида, с тремя равными секциями и большими зазорами между ними, от которой потом отказались.
И не могу разделить ваших восторгов относительно цельнометаллической стенки. Недостатки вольфрама, которые продолжают выявляться в ходе экспериментов, могут в конце концов превысить его преимущества, и как бы не пришлось вернуться назад к графиту.
tnenergy
Feb. 27th, 2017 05:32 pm (UTC)
Я боялся, что вам не понравится ;) Все же недостаточно глубоко знаю тему, хотя на подготовку потратил не мало. Надеюсь принципиальных косяков нет.

Кстати, на тему графита (хотя я больше с подходом модно-немодно) - в ИЯФ есть команда (Аракчеев, Васильев и д.р.), у которых есть прекрасная 30-гигаваттная электронная пушка, которой они долбали вольфрам. Там, конечно, жесть, даже для условий ITER mitigated VDE. Но, они же мне рассказывали, что с графитом в таких условиях такая же жесть, разве что капли вольфрама в центр шнура не летят. Для D-D токамаков графит, наверное был бы проще, но для DT на него просто не получить лицензию, ну вы в курсе, наверное.

>Только на первой картинке показана старая конструкция центрального соленоида

Единственная картинка с в целом актуальной вакуумной камерой и всем в сборе, которую я нашел. Стоило бы почаще из CADов картинки делать, как у ИТЭР ;)

Edited at 2017-02-27 05:33 pm (UTC)
kiba
Feb. 27th, 2017 05:22 pm (UTC)
Ох, сколько дней довелось проторчать в этом ангаре.
С одной стороны, вроде, обидно.
С другой - хоть что-то будет.
ytmwasd
Feb. 27th, 2017 06:08 pm (UTC)
как раз установку опоры дивертора внизу мы видим
Page 1 of 2
<<[1] [2] >>
( 88 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