Новое многообещающее направление в УТС

[tnenergy]

Разрез реактора управляемого термоядерного синтеза "Диномак"

Коварство физики плазмы и те параметры, которые нужны для получения термоядерной энергии с одной стороны приводят к фактически застывшим в своей титанической поступи токамакам, а с другой - к массам шарлатанов, обещающим легкий объездной путь. Или даже не шарлатанов, а просто людей, истово верящих, что природа не может быть так несправедлива. Десятки коллективов по всему миру пытаются найти что-то в физике плазмы, какую-то новую конфигурацию, которая даст внезапный легкий доступ к термоядерной энергии Однако статистика неумолима - никто не смог приблизится ближе 1/1000 успехов токамакостроителей, а научные журналы хранят в себе след десятков неудачных идей и концептов термоядерных реакторов. Десятилетия постоянных похорон “новичков” привили привычное скептическое отношение к пиарищимся новичкам.


Тем не менее, существует одна концепция, родившаяся за последние несколько лет, которая пробуждает скромную надежду на внезапное нахождение более легкого пути.



Предыдущий вариант установки - HIT-SI

Итак, речь идет о идее реактора «Диномак», выдвинутой исследователями Thomas Jarboe, Derek Sutherland и д.р., работающих в University of Washington. Идея, о которой чуть ниже, базируется на довольно свежем экспериментальном открытии в физике плазмы. Исследуя (не одно десятилетие, надо заметить) плазменные системы с искусственно созданными вихрями, где-то на стыке магнитного конфаймента и FRC-систем (очень модных в 90х-2000х годах) Thomas Jarboe получил грант на создание HIT-SI, маленькой ловушки с конфигурацией похожей на токомак или тета-пинч, в которой отсутвуют тороидальные катушки, а тороидальное поле создается путем возбуждения тороидального же тока в самой плазме.



Томас на фоне своей плазменной ловушки.

В принципе динамическое (т.е. создаваемое в самой плазме) тороидальное поле более дает более устойчивый к нестабильностям конфаймент, и это придавало перспективности всей теме разработки. Для возбуждения тока использовались не стандартные для токамаков NBI или ECRH, а специальные, как называет их сам Томас helicity injectors - небольшие каналы, в которых отводится часть плазмы и магнитным путем создается поток (принцип, схожий с МГД-насосами, но не до конца). И тут улыбка судьбы - оказалось, что ток в основном плазменном шнуре, созданный таким образом получается в разы больше, чем инжектируется из helicity injector’a. Механизм усиления тороидального тока был назван imposed dynamo current drive (ICDC).



Слева - сама ловушка HIT-SI c двумя H-инжекторами сверху и снизу, в центре линии тока в плазме, где видно, как H-инжектор возбуждает тороидальный ток, справа - магнитное поле в ловушке

В этот момент все концептуальные детали реактора “Диномак” собрались в целое:
- Плазменный шнур удерживается тороидальным током, наводимым с помощью механизма динамо инжекторами. Тороидальное поле рождается гораздо ближе к плазменному ядру, где идут реакции, а значит нам нужен меньший общий ток, чем в случае далеко отнесенных сверхпроводящих тороидальных магнитов классического токамака.

- Такое удержание позволяет поднять отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (т.е. бетта), а значит повысить плотность плазмы и мощность ее энерговыделения. Многогигаваттный реактор становится меньше 500 мегаваттного ИТЭР

- Отсутствие тороидальных катушек и центрального соленоида резко упрощают и удешевляют реактор.

-Возбуждение тока helicity injector’ами гораздо эффективнее с т.з. преобразования сетевого электричества в ток плазмы, чем у традиционных средств - кпд 80% против 30%, а так же позволяет возможно полностью отказаться от систем дополнительного нагрева плазмы.



Магнитные поля в "Диномаке". Значения сравнимы с полоидальными катушками ИТЭР.

Последний пункт позволяет решить еще один бич проектов ТЯР на базе токамаков - большая доля электроэнергии, вырабатываемой реактором уходит на поддержание работы самого реактора/

В итоге, облик реактора получается следующим:



Медная камера окружена зелено-голубым бланкетом, светлозеленым нейтронным экраном из ZrH2, синими полоидальными сверхпроводящими катушками. Сверху и снизу расположены системы откачки.

Тороидальная камера диаметром 13 и высотой примерно 5 метров из меди окружена бланкетом, в котором прокачивается расплавленная смесь фторидов лития-беррилия, хорошо известная термоядерщикам как FLiBe, которая превращает нейтронный поток от реактора в тритий с коэффициентом 1.1 атом трития на один нейтрон (что замыкает топливный цикл по тритию). FLiBe так же работает теплоносителем, забирая 2,5 гигаватта термоядерной энергии и передавая ее на второй контур на основе сверхкритичного СО2. Турбогенераторы дают 1000 мегаватт электрической энергии, сетевой выход из которых составит примерно 900.



FLiBe. На самом деле она прозрачна, а здесь подкрашена фторидом урана.

Реактор окружен полоидальными катушками из ВТСП YCBO, что позволяет ограничится охлаждением жидким азотом. Кроме того, медные катушки создают необходимые поля в 6 helicity injector’ах, расположенных по экватору Диномака. Мощность, инжектируемая ими в плазму составляет 58 мегаватт и это вся греющая мощность, которая есть. Таким образом соотношение получаемой термоядерной энергии к затрачиваемой составляет Q=33 всего и Q=9,5 с учетом расхода энергии другими устройствами и кпд турбогенераторов.



Электромагнитная система Helicity Injector'a.

Оценка стоимости, проведенная исследователями, дает 2,7 миллиарда долларов, что сравнимо по удельным затратам с угольными электростанциями и лучше атомных. Учитывая, фактически, близкие к нулю топливные расходы такой установки, цифры получаются интересные.



Ближайшая цель разработки - довольно приличная по параметрам ловушка, в которой можно подтвердить концепцию Диномака.

Разумеется, инженерная проработка тут не тянет даже на эскизный проект, а многие оценки скорее всего оптимистичны и наивны. Однако за последние годы это первый проект, натяжки которого от лаборатории к энергетическому реактору минимальны и подтверждены хорошими экспериментальными результатами. Команда Университета Вашингтона подготовила исследовательскую траекторию, которая позволит убедится, что найденные эффекты и закономерности работают и в большем масштабе. Буквально через несколько лет можно будет сделать вывод о реалистичности концепции Диномака, который вполне может перечеркнуть судьбу всех остальных термоядерных реакторов.