Новое многообещающее направление в УТС

[tnenergy.livejournal.com]

Оригинал взят у tnenergy в Новое многообещающее направление в УТС

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.

Comments

[genka8.livejournal.com]

Что вы думаете о Lokheed Compact Fusion Reactor- тоже шарлатаны?

[tnenergy.livejournal.com]

Сложно сказать, они льют очень много пиара и раскрывают очень мало информации. То что раскрыто в патенте - скорее неработоспособно (известная конструкция пробкотрона с внутренними каспами, ими много занимался в СССР Морозов). Есть шанс в 1%, что там что-то скрывается, но даже если так, по железу видно, что до промышленных реакторов там больше 10 лет (железо расчитано на килоджоули, а не на 100 мегаватт).

Вообще в США много таких команд, которые в свое время тоже громко пиарились (General Fusion, Helion Energy, Tri Alpha - это только то, что сразу вспоминается).

Здесь принципиально другое - университетская команда, которая не первое десятилетие занимается тематикой нащупала принципиально новое в физике плазмы - это может и сработать.

[genka8.livejournal.com]

Спасибо за пояснение. После громкого выхода в свет в прошлом году никаких официальных новостей проекта я не слышал.
Тогда были предположения, что они придумали очень хитрую компьютерную систему, которая позволяет стабилизировать не поддававшиеся контролю процессы.

[tnenergy.livejournal.com]

Хм, интересная идея (улучшение ситуации каким-то контролем), но очень сомневаюсь, что в ней есть рациональное зерно.

[iv-an-ru.livejournal.com]

Мне ещё в 90-е один заказчик рассказывал, что можно было бы резко улучшить характеристики токамака, если успеть измерить возмущения в одной стороне тора, выполнить вычисления и успеть передать управляющие команды на катушки на другой стороне тора быстрее, чем возмущение доберётся туда "по кругу". Собственно, он считал, что развитие вычислительной техники до той степени, чтобы этот фокус стал возможен --- необходимое условие для появления практически полезного токамака (жаль, что не достаточное).

[ubpskh.livejournal.com]

Есть один единственный нюанс. Сама контора. Серъезная организация, в отличие от того, что вы перечислили. Все-таки крупнейшее в мире предприятие ВПК. Управляющее, в частности, Сандийскими лабораториями.

Ну, то есть они в этом сравнении с другой стороны от университетской команды находятся ))

[tnenergy.livejournal.com]

Поэтому я и говорю "сложно сказать".

[neosmit.livejournal.com]

Как бальзам на душу. Давно не читал такой кайф..

[pa-lis.livejournal.com]

Поясните дилетанту, пожалуйста, это означает, что становится реалистичнее появление термоядерных электростанций?

[tnenergy.livejournal.com]

Причина долгого ковыряния с управляемым термоядерным синтезом (УТС) не в том, что там какие-то фундаментальные проблемы остались, а в том, что получается гиперсложный и гипердорогой реактор, почитайте у меня http://tnenergy.livejournal.com/3917.html ну и вообще блог.

Новый концепт позволяет за счет новой физики довольно радикально упростить гипотетический реактор, приблизив его по сложности к стандартным АЭС. Если эта физика подтвердиться, то мы, скорее всего, увидим бум ТЯЭС на принципе диномака.

[pa-lis.livejournal.com]

Круто! Спасибо! Нам еще в школе (тогда еще советской) рассказывали, какая счастливая жизнь начнется на Земле, когда удасться обуздать термоядерную энергию:) С тех пор ничего вдохновляющего по этой теме не встречалось до Вашей сегодняшней статьи.

[tnenergy.livejournal.com]

Конечно, стоит осторожно относится, но это первая обнадеживающая новость лет за 15.

[dimmcompany.livejournal.com]

скажем так - мечты об этом имеют бОльший шанс на воплощение, чем полёт человека на Марс

[ay-personal.livejournal.com]

С такой штукой и на Марс уже можно довольно спокойно.

[guga50.livejournal.com]

кто ж это переводит? окружена "бланкетом"... мда...

[tnenergy.livejournal.com]

Я вообще довольно часто перевожу криво по незнанию, или просто пишу с ошибками, но это не тот случай, бланкет - вполне устоявшийся термин (http://www.nikiet.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=73%3A2011-03-15-21-00-44&catid=3&Itemid=56).

[ins0mnis.livejournal.com]

А как надо? "Завёрнута в одеялко"?

[guga50.livejournal.com]

ну если ты шко-ло-ло, то безусловно.
как у них blanket устоялось так у нас "рубашка" устоялась.
в устной речи слова "юзать", "фэйлить" и т. п. уж хрен с ними, но вот письменно - коробит как-то.

[ins0mnis.livejournal.com]

Процитируйте в контексте, пожалуйста. Ибо мне всё-таки кажется что рубашка она жидкостью заполняется, а у бланкета несколько иные функции.

[guga50.livejournal.com]

не вопрос. только подъ...б с "одеялко" не в тему был.

[ins0mnis.livejournal.com]

Простите, не совсем уместно пошутил. Но, справедливости ради, Вы начали ветку весьма эмоциональным комментарием, задав тон беседы.

[guga50.livejournal.com]

наболело. я думаю эта проблема и вам знакома.
ну а тут оказалось всё как надо.

[tnenergy.livejournal.com]

Я вам ссылку на НИКИЭТ дал, где у них пол текста про бланкет ИТЭР - они тоже школоло? Это не просто "рубашка", это устройство, которое выполняет одновременно три функции, в отличии от одной у "рубашки", поэтому имеет собственное название. Можно, конечно, все гиперонимами называть, но это как раз признак непрофессионализма.

[guga50.livejournal.com]

я на ваше объяснение ничо не ответил. а молчание - знак согласия.
за что предыдущего оратора школьником обозвал - я пояснил.

[tnenergy.livejournal.com]

А, пардон, я не заметил, что это уже ответ не мне.

[iv-an-ru.livejournal.com]

Всё правильно переведено. "Картошку нужно называть картошкой, а полиморфонуклеарный лейкоцит --- полиморфонуклеарным лейкоцитом".

[alexander luzhbinin (from livejournal.com)]

Почему то сразу представил квенч в реакторе 2.5 ГВт.... А вообще дело хорошее))

[nicka-startcev.livejournal.com]

а что скажете про вот такие конструкции? я почти уверен, что их уже кто-то проверял и по каким-то причинам отверг.

берем сферическую камеру с двумя концентрическими сетками, подаем высокое напряжение. газ ионизируется, ионы разгоняются и сталкиваются примерно в центре.

как вариант - два встречных линейных ускорителя дейтронов.

как вариант - ускоритель и твердая мишень.

во всех трех идеях вместо "неупорядоченной" плазмы берем "упорядоченный" пучок.

[tnenergy.livejournal.com]

>берем сферическую камеру с двумя концентрическими сетками, подаем высокое напряжение. газ ионизируется, ионы разгоняются и сталкиваются примерно в центре.

Стандартный фузор. Из-за потерь на проводимости не может достичь положительного энерговыхода. Продаются как игрушки.

>как вариант - два встречных линейных ускорителя дейтронов.

Из-за электростатического расталкивания эти устройства не достигают минимально разумного объемного энерговыделения.

>как вариант - ускоритель и твердая мишень.

Потери на ионизацию вещества мишени всегда превосходят термоядерное энерговыделение.

[nicka-startcev.livejournal.com]

>Потери на ионизацию вещества мишени всегда превосходят термоядерное энерговыделение.

а можно чуть поподробнее по этому и соседним пунктам? сходу мне это не очевидно, но наверняка есть какие-то мат.прикидки

[tnenergy.livejournal.com]

Начну с твердотельной мишени - тут проще всего: налетающий дейтрон имеет примерно в 10^8 больше шансов ионизировать атом мишени, чем слиться в термоядерной реакции. В среднем на ионизацию мишени уходит гораздо больше энергии, чем получается из термодерной реакции.

Для случая фузора мне надо за числовыми оценками потерь на проводимость покопаться в литературке, что я сделаю завтра, а в случае синтеза на пучках я пока сам не знаю точного ответа, хотя уверен, что там все просто.

[nicka-startcev.livejournal.com]

спасибо