У любого человека, знакомого с нынешней ситуацией в управляемом термоядерном синтезе, может возникнуть вопрос: почему такой перекос в финансировании управляемого термоядерного синтеза - не менее 3/4 идет на токамаки, когда есть много других замечательных концепций ? Ответ довольно прост: в 70-х годах токамаки сделали резкий рывок вперед, достигнув в ближайшие 20 лет безубыточности - т.е.
получив количество термоядерной энергии, сравнимое со стоимостью нагрева реагирующей плазмы.
Робот обслуживания внутри токамака JET.
Была ли это случайность, или токамаки действительно самые простые с точки зрения достижения термоядерных температур и плотностей, факт остается фактом: ни один другой реактор до сих пор не смог достичь параметров токамаков 80-х годов, ~10% от Лоусона.
критерий.
Однако, в свою очередь, токамаки в своем дальнейшем развитии быстро достигли предела человеческих возможностей.
ITЭR - самая амбициозная в мире научная установка запредельной сложности не может стать основой дешевой энергии.
ITЭR и герой сегодняшнего рассказа ARC в одном масштабе.
Таким образом, наряду с развитием ветки ИТЭР – ДЕМО, перед исследователями стоит задача поиска путей упрощения токамаков, которые быстро теряют свою полезность в глазах широкой общественности.
В 2012 году была опубликована статья «Вулкан: стационарный токамак для науки о взаимодействии плазмы и материалов, связанной с реакторами», в которой описывается токамак для изучения взаимодействия плазмы и материалов.
Однако он содержит несколько новых технических решений, определяющих новое направление.
Главное — высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) в тороидальных катушках и двойной корпус вакуумной камеры.
О преимуществах этого решения мы поговорим чуть ниже, а пока — почему HTSC не проникли в IT? 
Концепция исследования токамака Vulcan.
Как известно, высокотемпературная сверхпроводимость была открыта в 1986 году, а первые коммерческие продукты появились в середине 90-х годов.
Именно тогда, в 93-98 годах, разрабатывалась первая версия ITЭR (мало кто знает, что первая версия была еще крупнее и с плазменным «зажиганием»).
В ходе исследований HTSC были отвергнуты как слишком грубые и ненадежные, чтобы попасть в такой ответственный проект, как ITЭR. Лишь в начале 2000-х годов исследования ЦЕРН с точки зрения применимости ВТСП показали, что технология «созрела».
Однако в ITЭR они снова не попали, несмотря на то, что в 2000-2006 годах велась разработка второй версии этого токамака.
На этот раз причина заключалась в том, что к тому моменту команда IT&R уже испытала прототипы тороидальных катушек с низкотемпературными магнитами NbSn3 и никто не позволил им выбросить результаты этой весьма дорогостоящей работы и начать все сначала.
Испытания прототипа катушки тороидального поля ITЭR весной 2004 года на установке СУЛТАН, Швейцария.
Таким образом, HTSC и ITЭR разошлись во времени буквально на несколько лет. Однако сегодня ситуация кардинально изменилась – ВТСП ленты второго поколения успешно заменяют традиционные интерметаллиды ниобия.
Прототип катушки сечением 12х12 мм из ленты REBCO, испытанный в ЦЕРН, с током 7 кА - в 10 раз меньше, чем нужно для дугового разряда.
Подводя итоги прогресса во многих технических областях за последние 15 лет с момента разработки проекта ITЭR, ученые из известного американского института MIT (интересно, что в их число входит один из разработчиков) Диномака Д.
А.
Сазерленд) предложил концепцию токамака ARC — аббревиатуры от Affordable, Robust, Compact, то есть доступный, надежный и компактный.
Действительно, в предлагаемой концепции параметры ITЭR могут быть реализованы в машине вдвое меньшего размера и за 1/10 стоимости международного реактора.
Итак, АРК( статья , пиар ) основан на идеях Вулкана — использовании ВТСП тороидальных катушек и двойной стенки вакуумной камеры.
Что это дает? Много! Давайте посмотрим на диаграмму критического магнитного поля/температуры для различных сверхпроводников.
Здесь показана зависимость предельной температуры и магнитного поля, при которых сохраняется сверхпроводимость.
Для YBCO и более широкого REBCO эта зона уже достигла 30 Т при гораздо более высокой рабочей температуре.
Видно, что для лент REBCO можно добиться заметно большего поля без потери сверхпроводимости при той же температуре или создать такое же поле при заметно более высокой температуре.
ARC нацелена на поле напряженностью 9,25 Тл на оси плазмы (и 23 Тл внутри катушек – близко к современным лабораторным рекордам!) и температуру 20 К.
Первое значение почти в 2 раза больше, чем в ИТЭР, а значит мощность энерговыделения на кубический метр плазмы увеличивается в 6 раз ( почему это так? ).
Это значит, что с помощью такой технологии.
мы сможем получить 500 мегаватт термоядерной энергии в объёме существующего токамака JET (ну почти).
Концептуальный вид 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, которого можно достичь в токамаке с помощью REBCO, начинает упираться не в свойства сверхпроводника (создатели ARC устанавливают плотности тока, равные сегодняшним промышленным рекордам, но ВТСП быстро прогрессируют), а в пределах механической прочности конструкции.
Давление поля увеличивается в 4 раза по сравнению с ITЭR, и только уменьшенные габариты позволяют как-то бороться с этой проблемой.
Напряжение в мощной силовой «клетке» из сплава Inconel 718 ARC будет достигать 60 кг/мм^2 и будет близко к предельному (100 кг/мм^2) в металлических конструкциях.
Необходимо помнить, что удлинение сверхпроводящих катушек более чем на 0,2% недопустимо, так как в этом случае начинает снижаться допустимый критический ток.
Один край токамака ARC и напряжения в нем.
Коэффициент запаса прочности всего в 1,5 раза слишком мал для промышленного образца.
Важной особенностью планируемой системы является простота ее разборки – магнитная система токамака ARC может быть разделена по экватору, а сняв верхнюю часть, можно получить легкий доступ к внутренностям в духе современных ядерных реакторов.
.
Это значительно упрощает проблему обслуживания, которая сегодня решается путем создания загадочных роботизированных систем, которые обслуживают внутренний тор через порты между тороидальными катушками.
Иллюстрация разборки токамака с заменой внутренней оболочки вакуумной камеры.
Синяя поверхность — оболочка внешней стенки вакуумной камеры; Расплав FLiBe циркулирует между двумя стенками.
Вакуумная камера с двойными стенками решает еще одну ИТ-проблему.
Сложный система защиты реактора от жесточайшего нейтронного и электромагнитного излучения горящей плазмы, называемой бланкетом - в случае с международным токамаком - произведением инженерного искусства, с запредельными сложностями в проектировании, изготовлении, монтаже и замене.
Исследователи MIT предлагают использовать жидкий бланкет из «ядерной соли» FLiBe вместо жесткой механической конструкции (что станет еще сложнее из-за необходимости получать в бланкете тритий путем облучения лития нейтронами плазмы).
Эта соль, смесь фторида лития и бериллия, часто встречается в конструкциях реакторов с расплавленными солями, а также в современный термоядерный .
Он инертен, обладает прекрасными нейтроно-замедляющими и поглощающими свойствами, а в условиях термоядерного реактора позволяет воспроизводить сгоревший тритий.
Это происходит за счет 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. Расплавленная соль будет работать не только как нейтронный щит и восстанавливать запасы трития, но и поглощать все тепло, выделяемое в результате термоядерной реакции, отдавая его в турбинный цикл.
Альтернативная конструкция ARC еще дешевле, с более высоким содержанием FLiBe (голубой), но менее долговечна и имеет меньшее поле.
Следующее важное упрощение — ориентация токамака для безиндуктивной работы.
В современных больших машинах стабильность плазмы поддерживается за счет создания в ней мощного тока.
Ток, в свою очередь, создается центральным индуктором и этот режим может продолжаться до тех пор, пока индуктор не разрядится от максимального положительного тока до максимального отрицательного.
Таким образом, токамак в индуктивном режиме по своей сути является импульсной машиной, даже если импульс длится 20 минут, как запланировано в ITЭR. Однако возможен и альтернативный вариант – ток создается специальным радиочастотным источником на частоте нижнего гибридного резонанса.
Именно такой источник мощностью 20 мегаватт будет использоваться в АРК (впрочем, это уже не новое решение, и все современные проекты токамаков опираются именно на такой режим).
Нижний гибридный излучатель волн мощностью 2 мегаватта, установленный на токамаке Tora Supra.
В остальном разработчики постарались опираться на разработки ITЭR, например, в системе откачки планируются криосорбционные вакуумные насосы.
Более того, создатели отказались от нагрева плазмы путем инжекции нейтральных частиц – как мы знаем, грандиозного форсунки нейтрального луча - одна из самых сложных составляющих ITЭR. Нагрев плазмы осуществляется только с помощью ЕЦРЗ и более низкий гибридный радиочастотный резонанс.
Такое решение также способствует снижению стоимости автомобиля.
Радиационная нагрузка на внутреннюю оболочку вакуумной камеры остается весьма проблематичной.
Скорость увеличения поражающей дозы составит 30 с.
н.
а.
в год, т.е.
через пару лет внутренний корпус реактора достигнет максимальных доз для сегодняшних материалов.
Однако есть надежда, что простота замены внутренней части токамака решит эту проблему и дождемся разработки новых, ядерно-стойких материалов (таких как дисперсно-оксидно-упрочненные стали).
Рисунок со звездочкой: расчетные параметры токамака ARC.
Результатом разработки стало появление экспериментальной термоядерной электростанции, которая может быть создана в сроки, сопоставимые с запуском ИТЭР в режиме термоядерного горения (это событие произойдет не ранее 2027 года).
По расчетам исследователей, стоимость такой станции не превысит несколько миллиардов долларов мощностью 270 мегаватт электрического .
Да, это еще далеко от желаемых значений, но при масштабировании таких реакторов по мощности и тиражам цена могла бы быть как минимум равна атомной энергетике (до $5000 за киловатт электроэнергии), несмотря на то, что топливо обещает быть почти бесплатным.
Конечно, работа нескольких человек далека от разработки проектов типа ITЭR, и стоит сохранять определенный пессимизм, однако репутация исследователей скорее говорит о возможности установки именно в таком виде с параметрами близки к намеченным.
Что ж, приятно видеть, что токамакам еще есть чем ответить альтернативным «малышам», и их история не закончится постройкой гигантских динозавров — ITЭR и DEMO. Теги: #Популярная наука #физика #управляемый ядерный синтез #токамаки
-
Иннис, Гарольд Адамс
19 Oct, 24 -
Фотосигнализация
19 Oct, 24 -
Управление Прожекторами С Помощью Arduino
19 Oct, 24 -
Ie8 И Фильтр Smartscreen
19 Oct, 24 -
О Геймдеве С Настольной Выставки
19 Oct, 24
