У любого человека при знакомстве с текущей ситуацией по управляемому термоядерному синтезу может возникнуть вопрос: почему существует такой перекос в финансировании УТС — не меньше 3/4 достается токамакам, когда есть множество других замечательных концепций? Ответ довольно прост: в 70х годах токамаки резко вырвались вперед, за 20 последующих лет достигнув breakeven’a — т.е. получения количества термоядерной энергии, сравнимого с затратами на нагрев реагирующей плазмы.
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.
Автор: tnenergy
