سيضيف Tokamak ARC فرصًا للفخاخ الحلقي في المعركة من أجل مستقبل نووي حراري

قد يتساءل أي شخص على دراية بالوضع الحالي للاندماج الحراري الحراري المتحكم فيه: لماذا يوجد مثل هذا التحيز في تمويل TCB - ما لا يقل عن 3/4 يذهب إلى tokamaks عندما يكون هناك العديد من المفاهيم العظيمة الأخرى؟ الجواب بسيط للغاية: في السبعينيات ، تقدمت tokamaks إلى الأمام ، ووصلت إلى نقطة التعادل على مدار العشرين عامًا القادمة - أي الحصول على كمية من الطاقة الحرارية الحرارية مقارنة بتكلفة تسخين البلازما المتفاعلة.


روبوت الصيانة داخل توكاماك JET.


سواء كان ذلك سيكون حادثًا ، أو أن توكاماكي هو أسهل طريقة لتحقيق درجات الحرارة والكثافة النووية الحرارية ، ومع ذلك ، تبقى الحقيقة: لا يوجد مفاعل آخر قادر حتى الآن على الوصول إلى معلمات توكاماك من 80s ~ 10 ٪ من معيار لوسون. ومع ذلك ، في المقابل ، وصلت tokamaks في تطويرها السريع بسرعة إلى حدود القدرات البشرية. ITER - لا يمكن أن يصبح التركيب العلمي الأكثر طموحًا في عالم التعقيد التجاوزي أساسًا للطاقة الرخيصة.


ITER وبطل قصة ARC اليوم على مقياس واحد.

وهكذا ، جنبًا إلى جنب مع تطوير فرع ITER - DEMO ، يواجه الباحثون مهمة إيجاد طرق لتبسيط توكاماك ، التي تفقد صالحها بسرعة في نظر عامة الناس.
في عام 2012 ، تم نشر مقال من قبل فولكان: توكاماك الحالة الثابتة للبلازما ذات الصلة بالمفاعل - علم التفاعل المادي ، الذي يصف توكاماك لدراسة تفاعل البلازما والمواد. ومع ذلك ، هناك العديد من الحلول التقنية الجديدة التي تحدد اتجاهًا جديدًا. أهمها هي الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (HTSC) في ملفات حلقية وحالة مزدوجة لغرفة فراغ. سنتحدث عن مزايا هذا الحل أقل قليلاً ، ولكن في الوقت الحالي - لماذا لم تدخل HTSC في ITER؟


مفهوم البحث فولكان توكاماك.

كما تعلم ، تم اكتشاف موصلية فائقة درجة حرارة عالية في عام 1986 ، وظهرت المنتجات التجارية الأولى في منتصف التسعينات. ثم ، في السنوات 93-98 ، تم تطوير الإصدار الأول من ITER (قلة من الناس يعرفون أن الإصدار الأول كان أكبر مع "اشتعال" البلازما). في سياق البحث ، تم رفض HTSCs على أنها بدائية جدًا وغير موثوقة للوقوع في مثل هذا المشروع المتطلب مثل ITER. فقط في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، أظهر بحث CERN من حيث إمكانية تطبيق HTSC أن التكنولوجيا كانت "ناضجة". ومع ذلك ، لم يقعوا مرة أخرى في ITER ، على الرغم من حقيقة أنه في 2000-2006 كان تطوير الإصدار الثاني من هذا tokamak مستمرًا. هذه المرة كان السببأنه بحلول ذلك الوقت ، كان فريق ITER قد قام بالفعل باختبار نماذج أولية من ملفات حلقية بمغناطيس NbSn3 بدرجة حرارة منخفضة ولم يكن أحد سيسمح بإلقاء نتائج هذا العمل المكلف للغاية والبدء من جديد.


اختبارات النموذج الأولي لفائف المجال الحلقي ITER في ربيع عام 2004 في تركيب SULTAN ، سويسرا.

وهكذا ، اختلف HTSC و ITER في الوقت حرفيا لعدة سنوات. ومع ذلك ، تغير الوضع اليوم بشكل كبير - فقد نجحت الأشرطة HTSC من الجيل الثاني في التخلص من مركبات النيوبيوم التقليدية المعدنية.


النموذج الأولي لقسم 12 × 12 مم من شريط REBCO الذي تم اختباره في CERN بتيار 7 كيلو أمبير أقل 10 مرات مما هو مطلوب لـ ARC.

تلخيص التقدم المحرز في العديد من القطاعات التقنية على مدى السنوات ال 15 الماضية منذ تطوير مشروع ITER ، علماء من المعهد الأمريكي المعروف MIT (من المثير للاهتمام أنه من بينهم أحد مطوري DinomakDA Sutherland) اقترح مفهوم ARC tokamak - اختصار لـ بأسعار معقولة وقوية ومدمجة ، أي بأسعار معقولة وقوية وصغيرة الحجم. في الواقع ، في المفهوم المقترح ، يمكن تنفيذ معلمات ITER في آلة صغيرة بحجم ضعف 1/10 من تكلفة مفاعل دولي.

لذا ، يعتمد ARC ( مقال ، PR ) على أفكار Vulcan - استخدام ملفات حلقية HTSC وجدار مزدوج لغرفة فراغ. ماذا يعطي؟ كثير! دعونا نلقي نظرة على الرسم البياني "المجال المغناطيسي الحرج / درجة الحرارة" لمختلف الموصلات الفائقة.


نعرض هنا اعتماد درجة الحرارة المحددة والمجال المغناطيسي الذي يتم فيه الحفاظ على الموصلية الفائقة. بالنسبة لـ YBCO و REBCO الأوسع ، فقد وصلت هذه المنطقة بالفعل إلى 30 T عند درجة حرارة تشغيل أعلى بكثير.

يمكن ملاحظة أنه بالنسبة لأشرطة REBCO يمكن للمرء تحقيق مجال أكبر بشكل ملحوظ دون فقدان الموصلية الفائقة عند نفس درجة الحرارة ، أو إنشاء نفس المجال عند درجة حرارة أعلى بشكل ملحوظ. يركز ARC على مجال 9.25T على محور البلازما (و 23 T داخل الملفات قريبة من السجلات المعملية الحديثة!) ودرجة حرارة 20K. القيمة الأولى أكبر مرتين تقريبًا من ITER ، مما يعني أن إطلاق الطاقة لمتر مكعب من البلازما ينمو 6 مرات ( لماذا هذا؟ ). هذا يعني أن تطبيق هذه التكنولوجيا. يمكننا الحصول على 500 ميغاوات من طاقة الانصهار في حجم توكاماك JET الحالي (تقريبًا).


ARC: 1 — , 2,5 — , 3 — , 4 — , 7 , 8 — , 9 — , 10 — .

في الواقع ، الحد الأقصى للحقل الذي يمكن تحقيقه في توكاماك باستخدام REBCO يبدأ في الاستراحة ليس في خصائص الموصل الفائق (وضع مبدعو ARC الكثافات الحالية مساوية للسجلات الصناعية الحالية ، لكن HTSCs تتقدم بسرعة) ، ولكن ضمن القوة الميكانيكية للهيكل. ينمو ضغط المجال 4 مرات بالمقارنة مع ITER ، ولا تسمح لنا سوى الأبعاد المخففة بالتعامل مع هذه المشكلة بطريقة أو بأخرى. سيصل الجهد في "القفص" القوي لسبائك Inconel 718 ARC إلى 60 كجم / مم ^ 2 وسيكون قريبًا من الحد (100 كجم / مم ^ 2) في الهياكل المعدنية. يجب أن نتذكر أن إطالة ملفات فائقة التوصيل أكثر من 0.2٪ غير مقبولة ، لأن في هذه الحالة ، يبدأ التيار الحرج المسموح به في الانخفاض.


ضلع واحد من tokamak ARC والجهد فيه. يبلغ هامش السلامة 1.5 مرة فقط للبناء الصناعي.

ميزة مهمة للنظام المخطط لها هي سهولة تفكيكه - يمكن تقسيم نظام ARC tokamak المغناطيسي على طول خط الاستواء ، وإزالة الجزء العلوي يتيح سهولة الوصول إلى الداخل بروح المفاعلات النووية الحديثة. هذا يبسط إلى حد كبير مهمة الصيانة ، والتي يتم حلها اليوم عن طريق إنشاء أنظمة روبوتية محيرة تخدم الحيد الداخلي من خلال فتحات المنافذ بين الملفات الحلقية.


رسم توضيحي لتفكيك التوكوماك باستبدال القشرة الداخلية لغرفة التفريغ. السطح الأزرق هو قشرة الجدار الخارجي لغرفة التفريغ ؛ يذوب FLiBe بين الجدارين.

يحل الجدار المزدوج لغرفة الفراغ مشكلة ITER أخرى. نظام معقد لحماية المفاعل من أشد الإشعاع النيوتروني والكهرومغناطيسي لبلازما مشتعلة ، يسمى بطانية - في حالة tokamak الدولية - هو عمل هندسي ، مع صعوبات هائلة في التصميم والتصنيع والتركيب والتغيير. يقترح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا استخدام بطانية سائلة مصنوعة من FLiBe "ملح نووي" بدلاً من هيكل ميكانيكي صلب (والذي سيكون معقدًا بالحاجة إلى الحصول على التريتيوم في بطانية بإشعاع الليثيوم بالنيوترونات من البلازما). هذا الملح - غالبًا ما يوجد خليط من الليثيوم وفلوريد البريليوم في مشاريع مفاعلات الملح السائل ، وفي الطاقة الحرارية النووية الحديثة. إنه خامل وله خصائص تباطؤ وامتصاص ممتازة للنيوترونات ، وفي ظروف مفاعل نووي حراري يسمح بتكاثر التريتيوم المحترق. يحدث هذا عن طريق مضاعفة النيوترونات في البريليوم (يؤدي نيوترون نشط إلى زيادة 2 نيوترونات أقل نشاطًا في نواة البريليوم) ، ثم التفاعل النووي لليثيوم مع النيوترون Li6 + n -> T + He4. لن يعمل الملح المصهور مع حماية النيوترون واستعادة احتياطيات التريتيوم فحسب ، بل يمتص أيضًا كل الحرارة الناتجة عن التفاعل النووي الحراري ، مما يمنحه لدورة التوربين.


تصميم ARC البديل أرخص ، مع نسبة أكبر من FLiBe (أزرق فاتح) ، ولكنه أقل متانة وحقل أصغر.

تبسيط مهم آخر هو اتجاه tokamak نحو العملية غير الاستقرائية. في الآلات الكبيرة الحديثة ، يتم دعم استقرار البلازما من خلال إنشاء تيار قوي فيه. التيار ، بدوره ، يتم إنشاؤه بواسطة المحرِّض المركزي ويمكن أن يستمر هذا الوضع أثناء تفريغ المحرِّض من التيار الموجب الأقصى إلى الحد الأقصى السلبي. وبالتالي ، فإن tokamak في الوضع الاستقرائي عبارة عن آلة نابضة بشكل أساسي ، حتى لو كان النبض يمكن أن يستمر 20 دقيقة ، كما هو مخطط لـ ITER. ومع ذلك ، هناك بديل ممكن أيضًا - يتم إنشاء التيار من خلال مصدر تردد لاسلكي خاص عند تردد الرنين الهجين المنخفض. إنه مثل هذا المصدر ، بسعة 20 ميغاوات ، سيتم استخدامه في ARC (ومع ذلك ، هذا ليس حلاً جديدًا ، وفي جميع مشاريع توكاماك الحديثة هذا هو النظام).


2 ميغاوات أقل باعث الموجة الهجينة المركبة على توكاماك تورا سوبرا.

حاول بقية المطورين الاعتماد على تطوير ITER ، على سبيل المثال ، يتم التخطيط لمضخات التفريغ بالتبريد في نظام الضخ.

علاوة على ذلك ، رفض المبدعون تسخين البلازما عن طريق حقن الجسيمات المحايدة - كما نعلم عن طريق الحقن الفخمة للشعاع المحايد - أحد أكثر مكونات ITER تعقيدًا. يتم توفير التدفئة بالبلازما فقط بواسطة ECRH ورنين تردد الراديو الهجين المنخفض . يلعب هذا القرار أيضًا في اتجاه السيارات الرخيصة.

يبقى حمل الإشعاع على الغلاف الداخلي لغرفة الفراغ مشكلة إلى حد ما. سيكون معدل مجموعة الجرعة التالفة 30 s.a.في السنة ، أي في غضون عامين ، سيقترب الوعاء الداخلي للمفاعل من الجرعات القصوى لمواد اليوم. ومع ذلك ، هناك أمل في أن بساطة تغيير الجزء الداخلي من توكاماك ستحل هذه المشكلة وتنتظر تطوير مواد جديدة مقاومة للأسلحة النووية (مثل الفولاذ المتشدد بالأكسيد المتصلب).


صورة بعلامة النجمة: معلمات التصميم لتوكاماك ARC.

كانت نتيجة التطوير ظهور محطة تجريبية للطاقة النووية الحرارية ، والتي يمكن إنشاؤها في وقت مماثل لإطلاق ITER في وضع الاحتراق النووي الحراري (لن يحدث هذا الحدث قبل 2027). وبحسب باحثين فإن تكلفة هذه المحطة لن تتجاوز عدة مليارات من الدولارات بسعة 270 ميجاوات من الكهرباء. نعم ، لا يزال هذا بعيدًا عن القيم المطلوبة ، ولكن مع توسيع نطاق هذه المفاعلات من حيث الطاقة والدوران ، يمكن أن يساوي السعر على الأقل الطاقة النووية (حتى 5000 دولار لكل كيلووات من الطاقة الكهربائية) ، على الرغم من حقيقة أن الوقود يعد مجانيًا تقريبًا. بطبيعة الحال ، فإن عمل العديد من الأشخاص بعيد عن وضع مشاريع مثل ITER ، ومن الجدير الحفاظ على تشاؤم معين ، ومع ذلك ، فإن سمعة الباحثين تتحدث أكثر عن جدوى التثبيت في هذا النموذج بالقرب من المعلمات المقصودة.

حسنًا ، من الجيد أن نرى أن tokamaks لا يزال لديها شيء للإجابة على "الأطفال" البديل ، ولن تنتهي قصتهم ببناء الديناصورات العملاقة - ITER و DEMO.

Source: https://habr.com/ru/post/ar384383/