Интересные слайды с конференции FPA, часть II
В продолжение первой части - тоже слайды, но менее сосредоточенные на текущем мейнтриме, и больше обсуждающие всякие концепции, проблемы, детали.
Итак, начнем с презентации увешенного регалиями Robert Hirsch, некогда даже возглавлявшего термоядерную энергетическую программу США. Он пробует оценить шансы токамаков, базирующихся на дизайне ИТЭР (прежде всего DEMO и ARIES) с точки зрения экономики.
ИТЭР более чем в 60 раз превосходит по массе сравнимый реактор деления AP-600 (на самом деле все еще хуже, по тепловой мощности AP-600 почти в 4 раза больше ИТЭР - tnenergy). ИТЭРоподобный УТС выглядит катастрофично более дорогим, чем реакторы деления.
Радости не добавляет очень долгое вхождение в рабочий режим - после квенча (потери сверхпроводимости) магнитов токамака EAST 18 дней заняло захолаживание этих магнитов обратно. Для ИТЭР эта цифра может вырасти до 30 дней (на самом деле нет - разработчики ИТЭР считают, что возврат к холодному состоянию после квенча возможен за сутки). 60 дней, которые занимает заморозка-разморозка магнитов может очень негативно влиять на КИУМ и экономику реактора.
Магнитная система ИТЭР запасает 47 гигаджоулей энергии, что эквивалентно 11,5 тоннам тротила - эта энергия будет большим препятсвием при получении лицензии на ядерную установку.
Срывы плазмы, которые могут приводить к повреждению машины остаются нерешенной проблемой. Срывы контролируются активными системами, которые могут отказать. Атомнадзоры будут фокусироваться на этих отказах, требуя дублирования защит.
Радиоактивные отходы. Если просто масштабировать ИТЭР до энергетической системы, то бланкет понадобится менять раз в три года (спорное заявление), а значит термоядерная электростанция будет производить вчетверо больше радиоактивных отходов, чем АЭС. Хотя радиотоксичность и время хранения этих отходов сильно меньше, проблема существует. Напомню, что я разбирал этот вопрос.
У линии ИТЭР нет шансов на коммерциализацию. Нужны другие машины, ориентирующиеся на другие принципы. (на мой взгляд упоминание p + B11 с его невысоким Q и запредельными требованиями по температуре ставит крест на УТС в принципе)
Вот такая разгромная презентация. Хотя тут есть перегибы, она поднимает тему, по которой не принято говорить в домах управляемого термоядерного синтеза. Что же делать? Бросать все, и садиться думать, как предлагает Хирш? Сообщество разработчиков видит ответ в эволюционном развитии. Начнем с самого консервативного варианта, предлагаемого британским стартапом Tokamak Energy
В распоряжении англичан небольшой токамак, с радиусом плазменного шнура всего 25 см, в основном для проверки их концепции магнитной системы. При этом ориентир развития - сферический токамак с тонко настроенными параметрами плазмы диаметром 3 и высотой 5 метров, способный вырабатывать на D+T реакции 180 тепловых мегаватт (треть от ИТЭР при весе в 1/100).
Кроме неких улучшений в параметрах плазмы (выше бетта и выше значение конфаймента H-mode) улучшение удельных параметров должно получится за счет высокотемпературных сверхпроводников. Именно на этой теме сейчас идут эксперименты (кадр выше). Разработчикам Tokamak Energy они представляются более высокопараметрическими и более простыми с т.з. криогеники.
Например используя косвенное охлаждение и довольно несложный криостат удалось добится долговременной работы установки.
Предложение промышленной установки с ВТСП магнитами, имеющей гораздо более высокие удельные характеристики, чем ИТЭР.
Тем не менее в последнем слайде перечислены проблемы, "которые надо решить" и которые при решении вполне могут раздуть установку до неинтересной сложности и дороговизны.
Разумеется, кроме стартаперов с непонятным шансом на реализацию предложения есть и от серьезных центров. Например от лаборатории физики плазмы всемирно известного MIT. Это блистательный проект токамака ARC, о котором я уже писал.
Токамак ARC очень изящно решает сразу ворох проблем линейки ИТЭР. Очевидно, что главная из них - это масштаб, стоимостный и временны, рожденный необходимостью получить большую термоядерную мощность при заданном магнитном поле, ограниченном в свою очередь имеющимися в 90х сверхпроводниками. Малый реактор сравнимой мощности намного бы ускорил скорость разработки УТС.
Мощность зависит от напряженности поля как куб, а плотность мощности - вообще в 4 степени. Давно предлагаются идеи токамаков с высокими полями, но они принципиально импульсные. Но может быть новые сверхпроводники способны обеспечить на необходимой напряженность поля (~10 тесла в шнуре и ~23 тесла в магнитах)?
Да, могут. Реальный экспериментальный магнит (на фото слева сверху) показывает 26,5 тесла, для нового токамака нужно всего лишь отмасштабировать этот магнит в 200 раз :)
Другие проблемы, решаемые дизайном ARC: разборная магнитная система позволяет менять ядерно-повреждаемую часть целиком. Это позволяет уменьшить вакуумную камеру, погрузив ее в жидкосолевой бланкет (а не бланкет внутрь вакуумной камеры). Маленькая камера выполняется зацело на заводе и меняется теперь тоже зацело, что переворачивает ситуацию с ног на голову.
3Д печать возможно решит больной инженерый вопрос токамаков - необходимость отсоединять-подсоединять тысячи труб теплоносителя при смене бланкета и панелей первой стенки. Самый большой вопрос и зона риска - дивертор в этой системе.
Жидкосолевой бланкет видится более простым с точки зрения съема тепла и теплогидравлики. Кстати, о чем не упомянуто на слайдах, но важно сказать: в токамаке ARC предлагается отказаться от сложных и дорогих инжекторов нейтралов и перейти на подогрев и создание неиндуктивного тока с помощью радиочастотных систем - ECRH, ICRH и нижнегибридного резонанса.
Для изучения проблем дивертора предлагается сделать маленький токамак с возможностью широко изменять магнитную конфигурацию в области дивертора, моделируя разные варианты.
Немножко подробностей по схеме разборных тороидальных катушек. Мощная механическая система, более простая температура 20 К (против 4.5 К в ИТЭР), резистивные медные соединения между частями ВТСП проводника.
Механическая прочность - самая серьезная проблема для магнитов такого размера и напряженности поля. Рассчет показывает относительно приемлимые уровни
напряженности корпуса магнита, но запаса нет.
Итак, два проекта собираются решать проблему нерентабельности идей ИТЭР за счет высокотемпературных сверхпроводников. Какого на сегодня состояние этой технологии с точки зрения термоядерщиков?
Высокотемпературные проводники правильнее было бы называть высокопольными. При температуре жидкого гелия деградация значений плотности критического тока в них падает гораздо медленнее, и их рабочие зоны - в сильных полях.
Желтым закрашены рабочие зоны ("напряженность поля-температура") для "старых" сверпроводников, синим - для новых.
Интересно, что в обзор сверхпроводников вошел российский производитель SuperOx. На слайде показаны возможности ВТСП лент по критическому
току на разных температурах. Видно, что при 4.2 К ситуация отличная, при 20 К она продолжает оставаться весьма приличной, выше 40К - весьма сильно деградирует.
Стремительный прогресс ВТСП продолжается, например тут показано повышение характеристик проводника разом в 3-4 (!) раза по критическому току
Рекорд полностью ВТСП магнита при температуре 4.2 К - впечатляющие 26.5 Тесла. Если бы катушки ИТЭР развивали такое поле, то его термоядерная мощность была бы 4 гигаватта.
Разработки соединений ВТСП (что долго было проблемой) тоже достигли технической зрелости - на фото соединение на 100 килоампер с сопротивлением 1.8 наноОма (т.е. с теплопотерями 18 ватт).
Разнообразные проектируемые кабели из ВТСП. Плотности тока сопоставимы с низкотемпературными сверхпроводниками.
Еще один проект кабеля от итальянской ENEA - впечатляющая плотность тока, превосходящая сегодняшние рекорды (и в 35 раз выше, чем у мощных алюминиевых шин, кстати)
Работа по экспериментальной отработки мощных кабелей, магнитов и соединений из ВТСП идет по всему миру. Думаю nick_55 сможет добавить тут профессионального скепсиса, т.к. презентация дана людьми, которым очень нужен успех ВТСП :)
Для затравки - ВТСП сферический токамак (один из вариантов), которым американцы хотят заткнуть дырку между ИТЭР и ДЕМО (позже я сделаю обзор FNSF). Сферические токамаки привлекательны с точки зрения повышения параметров плазмы, но страдают от жестких геометрических ограничений на размер магнитов, и для мощной машины нужно повышать плотность тока за пределы технологии ниобиевых сверхпроводников. ВТСП дают тут новое дыхание. 35.9 Мегаампер на квадратный метр - кстати - в 3.1 раза выше, чем достигнуто в тороидальных катушках ИТЭР.
Наконец еще одна неожиданная презентация от бывшего директора крупнейшего на тот момент токамака D-IIID Thomas Simonen. Про премущества ... российской открытой ловушки типа ГДЛ.
Фактически, речь идет о том же самом - как нам решить проблему экономической эффективности УТС. На западе открытые ловушки забросили еще в начале 80х, так и не сумев побороть неустойчивости плазмы, которые мешали получить высокое давление магнитного поля (ключ к стоимости установки). В ГДЛ эти неустойчивости победить удалось.
Экспериментальное полученное значение бета (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля) в ГДЛ - 0.6 Это в 10 раз лучше, чем в токамаках, а значит для достижения тех же значений нужно в 10 раз (!) меньшее магнитное поле. Конечно в открытой ловушке есть и свои минусы - прежде всего сложности с удержанием плазмы, на то она и открытая...
Пока есть сложности с удержанием электронов, поэтому их средняя температура недостаточно высока. Как мы помним, у новосибирцев есть предложения по доведению идеи открытых ловушек до нужной кондиции
Если на секундочку представить себе, что проблема утечки из открытой ловушки решена, и мы ее сравниваем с токамаком, то перед напи совершенно будет совершенно чудестный по характеристикам агрегат, в сотни раз превосходящий по удельным параметрам ИТЭР...
Интересно, что работа с ГДЛ продолжается, и достигаются новые, лучшие, значения. Список литератературы.
Итак, начнем с презентации увешенного регалиями Robert Hirsch, некогда даже возглавлявшего термоядерную энергетическую программу США. Он пробует оценить шансы токамаков, базирующихся на дизайне ИТЭР (прежде всего DEMO и ARIES) с точки зрения экономики.
ИТЭР более чем в 60 раз превосходит по массе сравнимый реактор деления AP-600 (на самом деле все еще хуже, по тепловой мощности AP-600 почти в 4 раза больше ИТЭР - tnenergy). ИТЭРоподобный УТС выглядит катастрофично более дорогим, чем реакторы деления.
Радости не добавляет очень долгое вхождение в рабочий режим - после квенча (потери сверхпроводимости) магнитов токамака EAST 18 дней заняло захолаживание этих магнитов обратно. Для ИТЭР эта цифра может вырасти до 30 дней (на самом деле нет - разработчики ИТЭР считают, что возврат к холодному состоянию после квенча возможен за сутки). 60 дней, которые занимает заморозка-разморозка магнитов может очень негативно влиять на КИУМ и экономику реактора.
Магнитная система ИТЭР запасает 47 гигаджоулей энергии, что эквивалентно 11,5 тоннам тротила - эта энергия будет большим препятсвием при получении лицензии на ядерную установку.
Срывы плазмы, которые могут приводить к повреждению машины остаются нерешенной проблемой. Срывы контролируются активными системами, которые могут отказать. Атомнадзоры будут фокусироваться на этих отказах, требуя дублирования защит.
Радиоактивные отходы. Если просто масштабировать ИТЭР до энергетической системы, то бланкет понадобится менять раз в три года (спорное заявление), а значит термоядерная электростанция будет производить вчетверо больше радиоактивных отходов, чем АЭС. Хотя радиотоксичность и время хранения этих отходов сильно меньше, проблема существует. Напомню, что я разбирал этот вопрос.
У линии ИТЭР нет шансов на коммерциализацию. Нужны другие машины, ориентирующиеся на другие принципы. (на мой взгляд упоминание p + B11 с его невысоким Q и запредельными требованиями по температуре ставит крест на УТС в принципе)
Вот такая разгромная презентация. Хотя тут есть перегибы, она поднимает тему, по которой не принято говорить в домах управляемого термоядерного синтеза. Что же делать? Бросать все, и садиться думать, как предлагает Хирш? Сообщество разработчиков видит ответ в эволюционном развитии. Начнем с самого консервативного варианта, предлагаемого британским стартапом Tokamak Energy
В распоряжении англичан небольшой токамак, с радиусом плазменного шнура всего 25 см, в основном для проверки их концепции магнитной системы. При этом ориентир развития - сферический токамак с тонко настроенными параметрами плазмы диаметром 3 и высотой 5 метров, способный вырабатывать на D+T реакции 180 тепловых мегаватт (треть от ИТЭР при весе в 1/100).
Кроме неких улучшений в параметрах плазмы (выше бетта и выше значение конфаймента H-mode) улучшение удельных параметров должно получится за счет высокотемпературных сверхпроводников. Именно на этой теме сейчас идут эксперименты (кадр выше). Разработчикам Tokamak Energy они представляются более высокопараметрическими и более простыми с т.з. криогеники.
Например используя косвенное охлаждение и довольно несложный криостат удалось добится долговременной работы установки.
Предложение промышленной установки с ВТСП магнитами, имеющей гораздо более высокие удельные характеристики, чем ИТЭР.
Тем не менее в последнем слайде перечислены проблемы, "которые надо решить" и которые при решении вполне могут раздуть установку до неинтересной сложности и дороговизны.
Разумеется, кроме стартаперов с непонятным шансом на реализацию предложения есть и от серьезных центров. Например от лаборатории физики плазмы всемирно известного MIT. Это блистательный проект токамака ARC, о котором я уже писал.
Токамак ARC очень изящно решает сразу ворох проблем линейки ИТЭР. Очевидно, что главная из них - это масштаб, стоимостный и временны, рожденный необходимостью получить большую термоядерную мощность при заданном магнитном поле, ограниченном в свою очередь имеющимися в 90х сверхпроводниками. Малый реактор сравнимой мощности намного бы ускорил скорость разработки УТС.
Мощность зависит от напряженности поля как куб, а плотность мощности - вообще в 4 степени. Давно предлагаются идеи токамаков с высокими полями, но они принципиально импульсные. Но может быть новые сверхпроводники способны обеспечить на необходимой напряженность поля (~10 тесла в шнуре и ~23 тесла в магнитах)?
Да, могут. Реальный экспериментальный магнит (на фото слева сверху) показывает 26,5 тесла, для нового токамака нужно всего лишь отмасштабировать этот магнит в 200 раз :)
Другие проблемы, решаемые дизайном ARC: разборная магнитная система позволяет менять ядерно-повреждаемую часть целиком. Это позволяет уменьшить вакуумную камеру, погрузив ее в жидкосолевой бланкет (а не бланкет внутрь вакуумной камеры). Маленькая камера выполняется зацело на заводе и меняется теперь тоже зацело, что переворачивает ситуацию с ног на голову.
3Д печать возможно решит больной инженерый вопрос токамаков - необходимость отсоединять-подсоединять тысячи труб теплоносителя при смене бланкета и панелей первой стенки. Самый большой вопрос и зона риска - дивертор в этой системе.
Жидкосолевой бланкет видится более простым с точки зрения съема тепла и теплогидравлики. Кстати, о чем не упомянуто на слайдах, но важно сказать: в токамаке ARC предлагается отказаться от сложных и дорогих инжекторов нейтралов и перейти на подогрев и создание неиндуктивного тока с помощью радиочастотных систем - ECRH, ICRH и нижнегибридного резонанса.
Для изучения проблем дивертора предлагается сделать маленький токамак с возможностью широко изменять магнитную конфигурацию в области дивертора, моделируя разные варианты.
Немножко подробностей по схеме разборных тороидальных катушек. Мощная механическая система, более простая температура 20 К (против 4.5 К в ИТЭР), резистивные медные соединения между частями ВТСП проводника.
Механическая прочность - самая серьезная проблема для магнитов такого размера и напряженности поля. Рассчет показывает относительно приемлимые уровни
напряженности корпуса магнита, но запаса нет.
Итак, два проекта собираются решать проблему нерентабельности идей ИТЭР за счет высокотемпературных сверхпроводников. Какого на сегодня состояние этой технологии с точки зрения термоядерщиков?
Высокотемпературные проводники правильнее было бы называть высокопольными. При температуре жидкого гелия деградация значений плотности критического тока в них падает гораздо медленнее, и их рабочие зоны - в сильных полях.
Желтым закрашены рабочие зоны ("напряженность поля-температура") для "старых" сверпроводников, синим - для новых.
Интересно, что в обзор сверхпроводников вошел российский производитель SuperOx. На слайде показаны возможности ВТСП лент по критическому
току на разных температурах. Видно, что при 4.2 К ситуация отличная, при 20 К она продолжает оставаться весьма приличной, выше 40К - весьма сильно деградирует.
Стремительный прогресс ВТСП продолжается, например тут показано повышение характеристик проводника разом в 3-4 (!) раза по критическому току
Рекорд полностью ВТСП магнита при температуре 4.2 К - впечатляющие 26.5 Тесла. Если бы катушки ИТЭР развивали такое поле, то его термоядерная мощность была бы 4 гигаватта.
Разработки соединений ВТСП (что долго было проблемой) тоже достигли технической зрелости - на фото соединение на 100 килоампер с сопротивлением 1.8 наноОма (т.е. с теплопотерями 18 ватт).
Разнообразные проектируемые кабели из ВТСП. Плотности тока сопоставимы с низкотемпературными сверхпроводниками.
Еще один проект кабеля от итальянской ENEA - впечатляющая плотность тока, превосходящая сегодняшние рекорды (и в 35 раз выше, чем у мощных алюминиевых шин, кстати)
Работа по экспериментальной отработки мощных кабелей, магнитов и соединений из ВТСП идет по всему миру. Думаю nick_55 сможет добавить тут профессионального скепсиса, т.к. презентация дана людьми, которым очень нужен успех ВТСП :)
Для затравки - ВТСП сферический токамак (один из вариантов), которым американцы хотят заткнуть дырку между ИТЭР и ДЕМО (позже я сделаю обзор FNSF). Сферические токамаки привлекательны с точки зрения повышения параметров плазмы, но страдают от жестких геометрических ограничений на размер магнитов, и для мощной машины нужно повышать плотность тока за пределы технологии ниобиевых сверхпроводников. ВТСП дают тут новое дыхание. 35.9 Мегаампер на квадратный метр - кстати - в 3.1 раза выше, чем достигнуто в тороидальных катушках ИТЭР.
Наконец еще одна неожиданная презентация от бывшего директора крупнейшего на тот момент токамака D-IIID Thomas Simonen. Про премущества ... российской открытой ловушки типа ГДЛ.
Фактически, речь идет о том же самом - как нам решить проблему экономической эффективности УТС. На западе открытые ловушки забросили еще в начале 80х, так и не сумев побороть неустойчивости плазмы, которые мешали получить высокое давление магнитного поля (ключ к стоимости установки). В ГДЛ эти неустойчивости победить удалось.
Экспериментальное полученное значение бета (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля) в ГДЛ - 0.6 Это в 10 раз лучше, чем в токамаках, а значит для достижения тех же значений нужно в 10 раз (!) меньшее магнитное поле. Конечно в открытой ловушке есть и свои минусы - прежде всего сложности с удержанием плазмы, на то она и открытая...
Пока есть сложности с удержанием электронов, поэтому их средняя температура недостаточно высока. Как мы помним, у новосибирцев есть предложения по доведению идеи открытых ловушек до нужной кондиции
Если на секундочку представить себе, что проблема утечки из открытой ловушки решена, и мы ее сравниваем с токамаком, то перед напи совершенно будет совершенно чудестный по характеристикам агрегат, в сотни раз превосходящий по удельным параметрам ИТЭР...
Интересно, что работа с ГДЛ продолжается, и достигаются новые, лучшие, значения. Список литератературы.