Tokamak ARC wird Toroidfallen im Kampf um eine thermonukleare Zukunft Chancen hinzufügen

Jeder, der mit der aktuellen Situation der kontrollierten thermonuklearen Fusion vertraut ist, kann sich fragen: Warum ist die Finanzierung von TCB so voreingenommen - nicht weniger als 3/4 geht an Tokamaks, wenn es viele andere großartige Konzepte gibt? Die Antwort ist ganz einfach: In den 70er Jahren stiegen Tokamaks voran und erreichten in den nächsten 20 Jahren die Gewinnschwelle - d. H. Erhalten der Menge an thermonuklearer Energie, die mit den Kosten des Erhitzens des reagierenden Plasmas vergleichbar ist.


Der Wartungsroboter im JET-Tokamak.


Ob dies ein Unfall oder Tokamaki wäre, ist der einfachste Weg, um thermonukleare Temperaturen und Dichten zu erreichen. Es bleibt jedoch die Tatsache: Kein anderer Reaktor konnte bisher die Parameter von Tokamaks der 80er Jahre ~ 10% des Lawson-Kriteriums erreichen. Im Gegenzug stießen Tokamaks in ihrer Weiterentwicklung jedoch schnell an die Grenzen menschlicher Fähigkeiten. ITER - die ehrgeizigste wissenschaftliche Installation in der Welt der transzendentalen Komplexität kann nicht zur Grundlage billiger Energie werden.


ITER und der Held der heutigen ARC-Geschichte auf einer Skala.

Zusammen mit der Entwicklung der ITER-DEMO-Branche stehen die Forscher vor der Aufgabe, Wege zur Vereinfachung von Tokamaks zu finden, die in den Augen der Öffentlichkeit rasch an Gunst verlieren.
2012 wurde von Vulcan ein Artikel veröffentlicht: Ein stationärer Tokamak für reaktorrelevante Plasma-Material-Wechselwirkungswissenschaft, der einen Tokamak zur Untersuchung der Wechselwirkung von Plasma und Materialien beschreibt. Es gibt jedoch mehrere neue technische Lösungen, die eine neue Richtung definieren. Die wichtigsten sind Hochtemperatursupraleiter (HTSC) in Ringspulen und ein Doppelgehäuse einer Vakuumkammer. Wir werden etwas weniger über die Vorteile dieser Lösung sprechen, aber vorerst - warum ist HTSC nicht zu ITER gekommen?


Research Vulcan Tokamak Concept.

Wie Sie wissen, wurde 1986 die Hochtemperatursupraleitung entdeckt, und die ersten kommerziellen Produkte erschienen Mitte der 90er Jahre. In den Jahren 93-98 wurde dann die erste Version von ITER entwickelt (nur wenige Menschen wissen, dass die erste Version mit Plasma- „Zündung“ noch größer war). Im Laufe der Forschung wurden HTSCs als zu grob und unzuverlässig abgelehnt, um in ein so anspruchsvolles Projekt wie ITER zu fallen. Erst in den frühen 2000er Jahren zeigten CERN-Untersuchungen zur Anwendbarkeit von HTSC, dass die Technologie „reif“ war. Sie fielen jedoch erneut nicht in den ITER, obwohl in den Jahren 2000-2006 die Entwicklung der zweiten Version dieses Tokamaks fortgesetzt wurde. Diesmal war der GrundZu diesem Zeitpunkt hatte das ITER-Team bereits Prototypen von Ringspulen mit NbSn3-Niedertemperaturmagneten getestet, und niemand hätte zugelassen, die Ergebnisse dieser sehr teuren Arbeit wegzuwerfen und von vorne zu beginnen.


Tests des Prototyps der ITER-Ringfeldspule im Frühjahr 2004 in der SULTAN-Anlage in der Schweiz.

Somit gingen HTSC und ITER buchstäblich um mehrere Jahre zeitlich auseinander. Heute hat sich die Situation jedoch dramatisch geändert: HTSC-Bänder der zweiten Generation verdrängen erfolgreich traditionelle intermetallische Niobverbindungen.


Der Prototyp eines am CERN getesteten 12 x 12 mm großen REBCO-Bandabschnitts mit einem Strom von 7 kA ist zehnmal weniger als für ARC erforderlich.

Wissenschaftler des bekannten amerikanischen Instituts MIT fassen die Fortschritte in vielen technischen Branchen in den letzten 15 Jahren seit der Entwicklung des ITER-Projekts zusammen (es ist interessant, dass einer von ihnen einer der Entwickler von Dinomak istDA Sutherland) schlug das ARC-Tokamak-Konzept vor - eine Abkürzung für Affordable, Robust, Compact, d.h. erschwinglich, robust und kompakt. In dem vorgeschlagenen Konzept können ITER-Parameter in einer doppelt so kleinen Maschine für 1/10 der Kosten eines internationalen Reaktors implementiert werden.

ARC ( Artikel , PR ) basiert also auf den Ideen von Vulcan - der Verwendung von HTSC-Ringspulen und einer Doppelwand einer Vakuumkammer. Was gibt es? Viel! Schauen wir uns das Diagramm „Kritisches Magnetfeld / Temperatur“ für verschiedene Supraleiter an.


Hier zeigen wir die Abhängigkeit der Grenztemperatur und des Magnetfeldes, bei der die Supraleitung erhalten bleibt. Für YBCO und REBCO hat diese Zone bereits 30 T bei einer viel höheren Betriebstemperatur erreicht.

Es ist ersichtlich, dass man bei REBCO-Bändern ein merklich größeres Feld erzielen kann, ohne die Supraleitung bei derselben Temperatur zu verlieren, oder dasselbe Feld bei einer merklich höheren Temperatur erzeugen kann. ARC konzentriert sich auf ein Feld von 9,25 T auf der Plasmaachse (und 23 T in den Spulen entsprechen modernen Laboraufzeichnungen!) Und eine Temperatur von 20 K. Der erste Wert ist fast 2-mal höher als in ITER, was bedeutet, dass die Leistungsabgabe eines Kubikmeters Plasma 6-mal zunimmt ( warum ist das so? ). Dies bedeutet, dass eine solche Technologie angewendet wird. Wir können (fast) 500 Megawatt Fusionsleistung im Volumen des vorhandenen JET-Tokamak erhalten.


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

Tatsächlich beginnt das maximale Feld, das in einem Tokamak mit REBCO erreicht werden kann, nicht in den Eigenschaften eines Supraleiters zu liegen (die Macher von ARC legten Stromdichten fest, die den heutigen Industrierekorden entsprechen, aber HTSCs schreiten rasch voran), sondern innerhalb der mechanischen Festigkeit der Struktur. Der Felddruck steigt im Vergleich zu ITER um das Vierfache, und nur die reduzierten Abmessungen ermöglichen es uns, dieses Problem irgendwie zu lösen. Die Spannung im starken Kraftkäfig der Inconel 718 ARC-Legierung erreicht 60 kg / mm ^ 2 und liegt nahe an der Grenze (100 kg / mm ^ 2) in Metallstrukturen. Es sei daran erinnert, dass eine Dehnung von supraleitenden Spulen von mehr als 0,2% nicht akzeptabel ist, weil In diesem Fall beginnt der zulässige kritische Strom abzunehmen.


Eine Rippe des ARC-Tokamak und Spannung darin. Der Sicherheitsspielraum ist im Industriebau nur 1,5-mal klein.

Ein wichtiges Merkmal des geplanten Systems ist die einfache Demontage - das magnetische ARC-Tokamak-System kann entlang des Äquators unterteilt werden, und das Entfernen des oberen Teils ermöglicht im Sinne moderner Kernreaktoren einen einfachen Zugang zum Innenraum. Dies vereinfacht die Wartungsaufgabe erheblich, die heute durch die Schaffung rätselhafter Robotersysteme gelöst wird, die den internen Torus durch die Öffnungen zwischen den Ringspulen bedienen.


Abbildung der Demontage eines Tokomaks durch Ersetzen der Innenschale einer Vakuumkammer. Die blaue Oberfläche ist die Hülle der Außenwand der Vakuumkammer, die FLiBe-Schmelze zirkuliert zwischen den beiden Wänden.

Die Doppelwand der Vakuumkammer löst ein weiteres ITER-Problem. Ein komplexes System zum Schutz des Reaktors vor den härtesten Neutronen und der elektromagnetischen Strahlung eines brennenden Plasmas, im Fall des internationalen Tokamaks als Decke bezeichnet, ist eine technische Arbeit mit enormen Schwierigkeiten bei der Konstruktion, Herstellung, Installation und Änderung. MIT-Forscher schlagen vor, anstelle einer starren mechanischen Struktur eine flüssige Decke aus dem „Kernsalz“ von FLiBe zu verwenden (was durch die Notwendigkeit erschwert wird, Tritium in einer Decke durch Bestrahlung von Lithium mit Neutronen aus einem Plasma zu erhalten). Dieses Salz - eine Mischung aus Lithium und Berylliumfluorid - kommt häufig in Projekten von Flüssigsalzreaktoren und in modernen thermonuklearen Reaktoren vor. Es ist inert und hat ausgezeichnete Eigenschaften zum Abbremsen und Absorbieren von Neutronen. Unter den Bedingungen eines Kernreaktors ermöglicht es die Verbrennung von verbranntem Tritium. Dies geschieht durch Multiplikation von Neutronen mit Beryllium (ein energetisches Neutron führt zu zwei weniger energetischen Neutronen am Berylliumkern) und anschließend durch die Kernreaktion von Lithium mit dem Neutron Li6 + n -> T + He4. Die Salzschmelze arbeitet nicht nur mit Neutronenschutz und stellt die Tritiumreserven wieder her, sondern absorbiert auch die gesamte durch die Kernreaktion erzeugte Wärme und gibt sie an den Turbinenzyklus weiter.


Das alternative ARC-Design ist mit einem größeren Anteil an FLiBe (hellblau) noch billiger, aber weniger langlebig und mit einem kleineren Feld.

Eine weitere wichtige Vereinfachung ist die Ausrichtung des Tokamaks zum nichtinduktiven Betrieb. In modernen Großmaschinen wird die Plasmastabilität durch die Erzeugung eines starken Stroms unterstützt. Der Strom wird wiederum von der zentralen Induktivität erzeugt, und dieser Modus kann fortgesetzt werden, während die Induktivität vom maximalen positiven zum maximalen negativen Strom entladen wird. Somit ist der Tokamak im induktiven Modus eine grundlegend gepulste Maschine, selbst wenn der Puls wie für ITER geplant 20 Minuten dauern kann. Eine Alternative ist jedoch auch möglich - der Strom wird durch eine spezielle Hochfrequenzquelle bei der niedrigen Hybridresonanzfrequenz erzeugt. Es ist eine solche Quelle mit einer Leistung von 20 Megawatt, die in ARC verwendet wird (dies ist jedoch keine neue Lösung, und in allen modernen Tokamak-Projekten ist dies das Regime).


2 Megawatt niedrigerer Hybridwellenemitter, montiert auf einem Tora Supra Tokamak.

Der Rest der Entwickler versuchte, sich auf die Entwicklung von ITER zu verlassen, zum Beispiel sind seine Kryosorptionsvakuumpumpen im Pumpensystem geplant.

Darüber hinaus weigerten sich die Schöpfer, das Plasma durch Injektion neutraler Partikel zu erhitzen - wie wir die grandiosen Injektoren des neutralen Strahls kennen - eine der komplexesten Komponenten von ITER. Die Plasmaerwärmung erfolgt nur durch ECRH und Niederhybrid-Hochfrequenzresonanz. Diese Entscheidung spielt auch in Richtung billigerer Autos.

Die Strahlungsbelastung der Innenschale der Vakuumkammer bleibt eher problematisch. Die Rate der Einstellung der schädlichen Dosis beträgt 30 s.a.pro Jahr, d.h. In ein paar Jahren wird sich das innere Gefäß des Reaktors den maximalen Dosen für heutige Materialien nähern. Es besteht jedoch die Hoffnung, dass die einfache Änderung des Inneren des Tokamaks dieses Problem löst und auf die Entwicklung neuer, kernresistenter Materialien (wie dispergierter oxidgehärteter Stähle) wartet.


Bild mit Sternchen: Entwurfsparameter des ARC-Tokamak.

Das Ergebnis der Entwicklung war das Erscheinen eines experimentellen thermonuklearen Kraftwerks, das in einer Zeit geschaffen werden kann, die mit dem Start von ITER in der Art der thermonuklearen Verbrennung vergleichbar ist (dieses Ereignis wird frühestens 2027 eintreten). Laut Forschern werden die Kosten einer solchen Station mehrere Milliarden Dollar bei einer Leistung von 270 Megawatt Strom nicht überschreiten. Ja, dies ist noch weit von den gewünschten Werten entfernt, aber mit der Skalierung solcher Reaktoren in Bezug auf Leistung und Zirkulation könnte der Preis mindestens der Kernenergie (bis zu 5.000 USD pro Kilowatt elektrischer Energie) entsprechen, obwohl der Brennstoff verspricht, nahezu frei zu sein. Natürlich ist die Arbeit mehrerer Personen weit von der Ausarbeitung von Projekten wie ITER entfernt, und es lohnt sich, einen gewissen Pessimismus beizubehalten. Dennoch spricht der Ruf der Forscher mehr über die Machbarkeit der Installation in dieser Form mit nahezu den beabsichtigten Parametern.

Nun, es ist schön zu sehen, dass Tokamaks den alternativen „Kindern“ noch etwas zu sagen haben und ihre Geschichte nicht mit dem Bau riesiger Dinosaurier enden wird - ITER und DEMO.

Source: https://habr.com/ru/post/de384383/