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.
Комментарии (38)
semmaxim
20.09.2015 23:27Почему считается, что топливо будет «почти бесплатным»? Беглое гугление показало, что дейтерий и, тем более, тритий — элементы весьма редкие и дорогие. А их предполагается килограммами перерабатывать в реакторе.
tnenergy
20.09.2015 23:47+28Ну давайте посчитаем. Пускай у нас есть гигаваттный токамак, который за год вырабатывает 7 000 000 мегаватт*часов (КИУМ ~0.85). Пускай мегаватт час стоит 100 баксов — это хорошая, но не запредельная цена. Т.е. токамак зарабатывает за год 700 миллионов долларов.
Энергоемкость топлива — 352 тераджоуля на килограмм дейтерий-тритиевой смеси. При кпд 36% с килограмма будет получатся 35 000 мегаватт часов, если я нигде не напутал, значит всего нам понадобится 200 кг топлива в год. Из них 80 кг дейтерия ценой ~10000 долларов за кг (т.е. 0,8 мегабакса) и 120 кг трития, который будет получаться в реакторе из Li6. На выработку 120 кг уйдет примерно 250 кг лития-6 или ~2700 кг природного лития. Природный литий стоит примерно 30 тысяч долларов за тонну, т.е. нам понадобится еще 0,1 млн долларов на литий и какая-то сумма на обогащение. Если делать это на центрифугах, то обогащение обойдется примерно в 1,5 млн долларов при цене ЕРР*кг 80 долларов. Таким образом общие затраты на топливо составят 2,4 млн или 0,3% от годового дохода. Это и называется «почти бесплатно».
soniq
21.09.2015 23:34У меня не так хорошо с арифметикой, но получается что ваша одна электростанция мощностью жалких 800 МВт будет сжирать 10% мирового производства лития.
Это как добывать никель из монеток — очень выгодно, но совершенно не масштабируется.tnenergy
21.09.2015 23:51>У меня не так хорошо с арифметикой, но получается что ваша одна электростанция мощностью жалких 800 МВт будет сжирать 10% мирового производства лития.
Действительно не так хорошо. Было бы очень печально, если бы в год добывалось 27 тонн лития. Слава богу, его добывается около 36000 тонн в год.soniq
22.09.2015 00:31Да, точно, увидел на картинке, как график карабкается к верхней линии с меткой «36», чуть ошибся.
Значит, если мировое потребление электроэнергии 96 ПВт•ч, то нам нужно будет построить десяток тысяч таких гигаваттных токамаков. И тогда разведанных запасов лития (12 967 тысяч тонн) хватит на три сотни лет. Окей, один вопрос снимается :)
Psychosynthesis
22.09.2015 05:04Хм… три сотни лет, тоже как-то не сильно радужно, учитывая какие надежды возлагаются на термояд.
tnenergy
22.09.2015 10:15+1Вы широко мыслите… представляю диалог где-нибудь в 1870х «Получается, нефти хватит всего на 200 лет?.. не уверен, что стоит начинать ее добычу, учитывая, какие радужные надежды возлагаются на двигатели внутреннего сгорания...»
Думаю, что литий никак не будет ограничителем для термоядерной энергетики, ведь его геологические запасы подсчитаны исходя из себестоимости добычи ниже рыночных цен. Если поднять цену закупки лития в 10 раз, то его запасы тут же станут больше. А 10 раз, как мы видим из расчета выше — никак не повлияют на стоимость электроэнергии ТЯЭС.
egigd
24.09.2015 10:22Запасы лития в океанской воде практически неисчерпаемы.
Пока его добыча от туда экономически несостоятельна, но для токамаков подходит даже очень дорогой литий.
К тому же 14 МэВ нейтроны нарабатывают тритий и из лития-7, просто это требует затрат энергии (из лития-6 тритий производится вместе с дополнительной энергией).
Наконец, через сотню-другую лет токамаки наверняка достигнут параметров, необходимых для работы на чистом дейтерии.
tzlom
21.09.2015 08:35+2Вопрос не в тему — как закреплён обслуживающий робот на КДПВ? Сколько не вглядывался не увидел никаких рельсов/ног/колёс, он что, летает?
Biga
21.09.2015 14:43+6Когда читаю статьи про термояд на хабре, всё время возникает один вопрос: входит ли монтировка в штатный комплект у сотрудников лабораторий?
realscorp
21.09.2015 17:50+3Монтировку — привилегия избранных специалистов.
У остальных только уютная демисезонная шапочка.
tnenergy
22.09.2015 00:41+2Надо предложить ИТЭРовцам повесить монтировку где-нибудь на нижнем уровне здания токамака.
egigd
24.09.2015 10:16Основное — это высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) в тороидальных катушках и двойной корпус вакуумной камеры.
Двойной корпус применяется во всех без исключения токамаках. Ничего нового в этом нет. Без него просто не получить нужный вакуум: размеры камеры слишком велики чтобы исключить все мельчайшие течи. Поэтому применяют два корпуса: давление между ними держится в десятки тысяч раз ниже атмосферного, что легко достичь даже при довольно сильной течи, в результате натекание воздуха во внутренний корпус снижается в соответствующие десятки тысяч раз, позволяя относительно просто достичь необходимого сверхвысокого вакуума.
Жидкосолевой бланкет — это совершенно отдельная от двойного корпуса идея.tnenergy
24.09.2015 10:24>Двойной корпус применяется во всех без исключения токамаках.
Если мы говорим про вакуумную камеру, то везде она с одинарной стенкой. Первый токамак с двойной — это ИТЭР. И связано это с охлаждением, а не с вакуумной плотностью. Вы могли посчитать стенку криостата, которая окружает все современные токамаки за вторую стенку камеры, но это принципиально разные вещи.
>Поэтому применяют два корпуса: давление между ними держится в десятки тысяч раз ниже атмосферного, что легко достичь даже при довольно сильной течи, в результате натекание воздуха во внутренний корпус снижается в соответствующие десятки тысяч раз, позволяя относительно просто достичь необходимого сверхвысокого вакуума.
Десятки тысяч раз — это единицы Па. Нет, ответ не верный, нигде не используется специальный промежуточный корпус с таким вакуумом. Полно токамаков с «теплыми» магнитами, которые имеют одну стенку между атмосферой и вакуумной камерой и вполне себе получается достичь 10^-4 Па.
egigd
24.09.2015 10:47Если мы говорим про вакуумную камеру, то везде она с одинарной стенкой. Первый токамак с двойной — это ИТЭР. И связано это с охлаждением, а не с вакуумной плотностью.
И откуда такой вывод?..
Нам на лекциях по высокотемпературной плазме (на кафедре физики плазмы в МИФИ) чётко говорили, что для получения высокого вакуума все токамаки имеют двойные стенки вакуумной камеры с раздельной откачкой основного объёма и промежутка между стенками.
Криостат и прочее — это дополнительные стенки за пределами второй стенки вакуумной камеры.tnenergy
24.09.2015 11:13>что для получения высокого вакуума все токамаки имеют двойные стенки вакуумной камеры с раздельной откачкой основного объёма и промежутка между стенками.
Я вот даже на месте преподавателей кафедры МИФИ не брался бы говорить за все токамаки (их более 150 штук). Я сейчас прошелся по своим материалам и посмотрел еще гугл и признаю ошибку — все большие современные токамаки (JET, EAST, K-STAR, JA-60SA) имеют двухстеночную камеру (не смотря на этом, подавляющее большинство — одностеночные). Но в причинах такого решения всегда через перечисление идет «вакуумная плотность, необходимость держать форму под механическими нагрузками». Для того, что бы убедится в задаче вакуумной плотности в вашей постановке надо найти токамаки, в которых будет отдельная откачка изнутри двойной стенки вакуумной камеры.
P.S. Все равно конструкция вакуумной камеры ARC совершенно непохожа на то, что есть сегодня.egigd
24.09.2015 11:26Про держание формы под нагрузками нам говорили, что используется банальная гофрировка стенки. Попутно увеличивается электрическое сопротивление (длина пути тока возрастает, а толщина проводника минимум не увеличивается, а то и уменьшается), что повышает эффективность индуктивного поддержания тока в плазме.
tnenergy
24.09.2015 11:46Ничего банального в удержании формы под нагрузками нет, одна из самых сложных задач в проектировании ВК (особенно если вспомнить про электромеханические нагрузки при срывах). Что-то уж больно безаппеляционные заявления у ваших преподавателей.
egigd
24.09.2015 12:19Банальное решение может требовать очень не банальных расчётов и технологий изготовления…
tnenergy
24.09.2015 12:28Слушайте, ну в данном случае это спор ради спора. И расчеты там не банальны, и решение. Чисто иллюстративно картинка распределения напряжений в конструкции ВК ITER при VDE-срыве.
egigd
24.09.2015 12:35И какое же там не банальное решение?.. Вот на вашей же картинке из силовых элементов видны только совершенно банальные рёбра жёсткости…
ДА, чтобы рассчитать, куда и какие рёбра впихнуть, нужны очень не банальные расчёты. Но само техническое решение совершенно банальное и очевидное.
HomoLuden
01.10.2015 19:03акроним от Affordable, Robust, Compact, т.е. доступный, здравый и компактный.
Термин Robust, если не ошибаюсь, в технике (как минимум в ТАУ) обозначает устойчивость устройства к внешним возмущениям, а не некую здравость. Это же примерно предлагает и гуглотранслятор.tnenergy
01.10.2015 21:19Поздравляю! Вы написали самый популярный комментарий к данной статье :)
На самом деле, в результате обсуждения со многими читателями консенсус, что Robust тут «крепкий», имя в виду мощную силовую конструкцию, т.к. это довольно важная особенность данной машины. Но в статье я пожалуй уже менять ничего не буду.
zixx
Удивительно читать о том, что такая сложнейшая вещь как ИТЕР устарела еще до начала сборки.
С другой стороны, радует, что прогресс движется настолько быстро. Надеюсь, что еще застану переход человечества в эру термоядерной энергетики)
ProVal
Недостаточно быстро. Честно говоря, мне, как человеку, далёкому от всего этого, довольно сложно воспринимать факт, что десятки лет от начала проектирования до запуска чего-либо (даже такой сложности) это быстро.
tnenergy
У вас есть предложения, как ускорить прогресс техники?
voyager-1
Есть элегантное решение — увеличить правительствами стран расходов на науку в несколько раз, хотя бы за счет оборонной промышленности. Насколько я знаю, ни один вид на Земле не угрожает нашему, так зачем мы защищаемся от самих себя?
Но к сожалению пока любое государство стремится отобрать что-нибудь у ближнего своего, или дальнего — вопрос сокращения оборонных бюджетов будет оставаться вопросом риторическим.
Dair_Targ
Возможно… потому, что мы сами себя и убиваем лучше всех?
realscorp
Потому что мы — животные, плоть от плоти приматов, и нами управляет не только наш разум.
Земля — круглая, вода — мокрая, а люди — животные.
SPBNike
Внутривидовая конкуренция. Многие про неё забывают.
egigd
Вообще-то без затрат на оборонку у нас и обычных ядерных реакторов не было бы, не то, что термоядерных…
Термоядерные реакторы, сред прочего, позволят получать дешёвый оружейный плутоний сверхвысокого качества. И что-то мне подсказывает, что выделяя деньги на их разработку, правительства этот момент тоже не забывают…
egigd
Вообще-то все без исключения сложнейшие вещи устаревают ещё до начала сборки… Именно потому, что они сложнейшие: их разработка занимает много времени и к ним применяются наиболее жёсткие требования в плане гарантированности результата, что заставляет использовать консервативные решения.