Tokamak ARC ajoutera des chances aux pièges toroïdaux dans la lutte pour un avenir thermonucléaire

Quiconque connaît la situation actuelle de la fusion thermonucléaire contrôlée peut se demander: pourquoi y a-t-il un tel biais dans le financement du TCB - pas moins de 3/4 va aux tokamaks quand il y a beaucoup d'autres grands concepts? La réponse est assez simple: dans les années 70, les tokamaks ont bondi, atteignant le seuil de rentabilité au cours des 20 prochaines années - c'est-à-dire obtenir la quantité d'énergie thermonucléaire comparable au coût de chauffage du plasma réactif.


Le robot de maintenance à l'intérieur du tokamak JET.


Que ce soit un accident ou un tokamaki est vraiment le moyen le plus simple d'atteindre des températures et des densités thermonucléaires, cependant, le fait demeure: aucun autre réacteur n'a encore été en mesure d'atteindre les paramètres des tokamaks des années 80 ~ 10% du critère Lawson. Cependant, à leur tour, les tokamaks dans leur développement ultérieur ont rapidement atteint la limite des capacités humaines. ITER - l'installation scientifique la plus ambitieuse du monde de la complexité transcendantale ne peut pas devenir la base d'une énergie bon marché.


ITER et le héros de l'histoire ARC d'aujourd'hui à une échelle.

Ainsi, parallèlement au développement de la branche ITER - DEMO, les chercheurs sont confrontés à la tâche de trouver des moyens de simplifier les tokamaks, qui perdent rapidement de la popularité aux yeux du grand public.
En 2012, un article a été publié par Vulcan: Un tokamak à l'état stationnaire pour la science de l'interaction plasma - matériau pertinent au réacteur, qui décrit un tokamak pour étudier l'interaction du plasma et des matériaux. Cependant, plusieurs nouvelles solutions techniques définissent une nouvelle direction. Les principaux sont les supraconducteurs à haute température (HTSC) dans des bobines toroïdales et un double boîtier de chambre à vide. Nous parlerons des avantages de cette solution un peu plus bas, mais pour l'instant - pourquoi HTSC n'est-il pas entré dans ITER?


Recherche Vulcan Tokamak Concept.

Comme vous le savez, la supraconductivité à haute température a été découverte en 1986 et les premiers produits commerciaux sont apparus au milieu des années 90. C'est alors, dans les années 93-98, que la première version d'ITER est en cours de développement (peu de gens savent que la première version est encore plus grande avec «allumage» plasma). Au cours de la recherche, les HTSC ont été rejetés comme étant trop grossiers et peu fiables pour tomber dans un projet aussi exigeant que ITER. Ce n'est qu'au début des années 2000 que les recherches du CERN sur l'applicabilité du HTSC ont montré que la technologie était «mûre». Cependant, ils ne sont pas à nouveau tombés dans l'ITER, malgré le fait qu'en 2000-2006, le développement de la deuxième version de ce tokamak était en cours. Cette fois, la raison étaitqu'à ce moment-là, l'équipe ITER avait déjà testé des prototypes de bobines toroïdales avec des aimants NbSn3 à basse température et personne n'aurait permis de rejeter les résultats de ce travail très coûteux et de tout recommencer.


Essais du prototype de bobine de champ toroïdal ITER au printemps 2004 dans l'installation SULTAN, Suisse.

Ainsi, HTSC et ITER ont différé dans le temps de plusieurs années. Cependant, aujourd'hui, la situation a radicalement changé - les bandes HTSC de deuxième génération évincent avec succès les composés intermétalliques de niobium traditionnels.


Le prototype d'une section de 12 x 12 mm de ruban REBCO testé au CERN avec un courant de 7 kA est 10 fois inférieur à ce qui est nécessaire pour l'ARC.

Résumant les progrès réalisés dans de nombreuses industries techniques au cours des 15 dernières années depuis le développement du projet ITER, des scientifiques du célèbre institut américain MIT (il est intéressant de noter que parmi eux figure l'un des développeurs de DinomakDA Sutherland) a proposé le concept de tokamak ARC - un acronyme pour abordable, robuste, compact, c'est-à-dire abordable, robuste et compact. En effet, dans le concept proposé, les paramètres ITER peuvent être implémentés dans une machine deux fois plus petite pour 1/10 du coût d'un réacteur international.

Ainsi, ARC ( article , PR ) est basé sur les idées de Vulcan - l'utilisation de bobines toroïdales HTSC et d'une double paroi d'une chambre à vide. Qu'est-ce que ça donne? Beaucoup! Jetons un coup d'œil au diagramme «champ magnétique critique / température» pour différents supraconducteurs.


Nous montrons ici la dépendance de la température limite et du champ magnétique auxquels la supraconductivité est préservée. Pour YBCO et REBCO plus large, cette zone a déjà atteint 30 T à une température de fonctionnement beaucoup plus élevée.

On peut voir que pour les bandes REBCO, on peut obtenir un champ sensiblement plus grand sans perdre la supraconductivité à la même température, ou créer le même champ à une température sensiblement plus élevée. L'ARC se concentre sur un champ de 9.25T sur l'axe plasma (et 23T à l'intérieur des bobines est proche des records de laboratoire modernes!) Et une température de 20K. La première valeur est presque 2 fois supérieure à celle d'ITER, ce qui signifie que la libération de puissance d'un mètre cube de plasma augmente 6 fois ( pourquoi en est-il ainsi? ). Cela signifie que l'application d'une telle technologie. nous pouvons obtenir 500 mégawatts de puissance de fusion dans le volume du tokamak JET existant (presque).


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

En fait, le champ maximal qui peut être atteint dans un tokamak utilisant REBCO commence à ne pas reposer sur les propriétés d'un supraconducteur (les créateurs d'ARC ont établi des densités de courant égales aux records industriels d'aujourd'hui, mais les HTSC progressent rapidement), mais dans la résistance mécanique de la structure. La pression de champ croît 4 fois par rapport à ITER, et seules les dimensions réduites nous permettent en quelque sorte de résoudre ce problème. La tension dans la puissante «cage» de force de l'alliage Inconel 718 ARC atteindra 60 kg / mm ^ 2 et sera proche de la limite (100 kg / mm ^ 2) dans les structures métalliques. Il convient de rappeler qu'un allongement des bobines supraconductrices de plus de 0,2% est inacceptable, car dans ce cas, le courant critique admissible commence à diminuer.


Une nervure du tokamak ARC et de la tension. La marge de sécurité n'est que 1,5 fois petite pour la construction industrielle.

Une caractéristique importante du système prévu est la facilité de son démontage - le système de tokamak magnétique ARC peut être divisé le long de l'équateur, et le retrait de la partie supérieure permet un accès facile à l'intérieur dans l'esprit des réacteurs nucléaires modernes. Cela simplifie considérablement la tâche de maintenance, qui est aujourd'hui résolue en créant des systèmes robotiques déroutants qui desservent le tore interne à travers les ouvertures des ports entre les bobines toroïdales.


Illustration du démontage d'un tokomak en remplaçant la coque intérieure d'une chambre à vide. La surface bleue est l'enveloppe de la paroi extérieure de la chambre à vide; la masse fondue FLiBe circule entre les deux parois.

La double paroi de la chambre à vide résout un autre problème ITER. Un système complexe pour protéger le réacteur des neutrons et des rayonnements électromagnétiques les plus sévères d'un plasma brûlant, appelé couverture - dans le cas du tokamak international - est un travail d'ingénierie, avec d'énormes difficultés dans la conception, la fabrication, l'installation et le changement. Les chercheurs du MIT proposent d'utiliser une couverture liquide du «sel nucléaire» de FLiBe au lieu d'une structure mécanique rigide (qui sera compliquée par la nécessité d'obtenir du tritium dans une couverture en irradiant le lithium avec des neutrons à partir d'un plasma). Ce sel - un mélange de lithium et de fluorure de béryllium se trouve souvent dans les projets de réacteurs à sel liquide et dans les thermonucléaires modernes. Il est inerte et possède d'excellentes propriétés de décélération et d'absorption des neutrons et, dans les conditions d'un réacteur thermonucléaire, il permet de reproduire du tritium brûlé. Cela se produit en multipliant les neutrons par le béryllium (un neutron énergétique donne naissance à 2 neutrons moins énergétiques sur le noyau du béryllium), puis la réaction nucléaire du lithium avec le neutron Li6 + n -> T + He4. Le sel fondu fonctionnera non seulement avec une protection neutronique et restaurera les réserves de tritium, mais absorbera également toute la chaleur produite par la réaction thermonucléaire, la donnant au cycle de la turbine.


La conception alternative de l'ARC est encore moins chère, avec une plus grande proportion de FLiBe (bleu clair), mais moins durable et avec un champ plus petit.

Une autre simplification importante est l'orientation du tokamak vers un fonctionnement non inductif. Dans les grandes machines modernes, la stabilité du plasma est soutenue par la création d'un puissant courant. Le courant, à son tour, est créé par l'inductance centrale et ce mode peut continuer pendant que l'inductance est déchargée du courant positif maximum au courant négatif maximum. Ainsi, le tokamak en mode inductif est une machine fondamentalement pulsée, même si l'impulsion peut durer 20 minutes, comme prévu pour ITER. Cependant, une alternative est également possible - le courant est créé par une source spéciale de radiofréquence à basse fréquence de résonance hybride. C'est une telle source, d'une capacité de 20 mégawatts, qui sera utilisée dans l'ARC (cependant, ce n'est pas une nouvelle solution, et dans tous les projets de tokamak modernes, c'est le régime).


Emetteur d'onde hybride inférieur de 2 mégawatts monté sur un tokamak Tora Supra.

Les autres développeurs ont essayé de s'appuyer sur le développement d'ITER, par exemple, ses pompes à vide à cryosorption sont prévues dans le système de pompage.

De plus, les créateurs ont refusé de chauffer le plasma avec l'injection de particules neutres - comme nous le savons les injecteurs grandioses du faisceau neutre - l'un des composants les plus complexes d'ITER. Le chauffage au plasma n'est assuré que par l' ECRH et la résonance radiofréquence à faible hybride. Cette décision va également dans le sens des voitures moins chères.

La charge de rayonnement sur l'enveloppe intérieure de la chambre à vide reste assez problématique. Le taux de prise de la dose dommageable sera de 30 s.a.par an, soit dans quelques années, la cuve intérieure du réacteur approchera des doses maximales pour les matériaux d'aujourd'hui. Cependant, il est à espérer que la simplicité du changement de l'intérieur du tokamak résoudra ce problème et attendra le développement de nouveaux matériaux résistants au nucléaire (tels que les aciers dispersés durcis à l'oxyde).


Image avec un astérisque: paramètres de conception du tokamak ARC.

Le résultat du développement a été l'apparition d'une centrale thermonucléaire expérimentale, qui peut être créée dans un délai comparable au lancement d'ITER en mode de combustion thermonucléaire (cet événement ne se produira pas avant 2027). Selon les chercheurs, le coût d'une telle station ne dépassera pas plusieurs milliards de dollars avec une capacité de 270 mégawatts d'électricité. Oui, c'est encore loin des valeurs souhaitées, mais avec la mise à l'échelle de ces réacteurs en termes de puissance et de circulation, le prix pourrait être au moins égal à l'énergie nucléaire (jusqu'à 5000 $ le kilowatt d'énergie électrique), tandis que le combustible promet d'être presque gratuit. Bien sûr, le travail de plusieurs personnes est loin de l'élaboration de projets comme ITER, et il vaut la peine de conserver un certain pessimisme, néanmoins, la réputation des chercheurs parle davantage de la faisabilité de l'installation sous cette forme avec des paramètres proches des paramètres recherchés.

Eh bien, c'est agréable de voir que les tokamaks ont encore quelque chose à dire aux «enfants» alternatifs, et leur histoire ne se terminera pas avec la construction de dinosaures géants - ITER et DEMO.

Source: https://habr.com/ru/post/fr384383/