Tokamak ARC akan menambah peluang jebakan toroidal dalam pertarungan untuk masa depan termonuklir

Siapa pun yang akrab dengan situasi fusi termonuklir terkontrol saat ini mungkin bertanya: mengapa ada bias dalam pembiayaan TCB - tidak kurang dari 3/4 masuk ke tokamaks ketika ada banyak konsep hebat lainnya? Jawabannya cukup sederhana: di tahun 70-an, tokamaks melonjak ke depan, mencapai titik impas selama 20 tahun ke depan - mis. memperoleh jumlah energi termonuklir yang sebanding dengan biaya pemanasan plasma yang bereaksi.


Robot pemeliharaan di dalam tokamak JET.


Apakah ini akan menjadi kecelakaan, atau tokamaki benar-benar cara termudah untuk mencapai suhu dan kepadatan termonuklear, bagaimanapun, tetap ada: belum ada reaktor lain yang mampu mencapai parameter tokamaks dari tahun 80an ~ 10% dari kriteria Lawson. Namun, pada gilirannya, tokamaks dalam pengembangan lebih lanjut dengan cepat mencapai batas kemampuan manusia. ITER - instalasi ilmiah paling ambisius di dunia kompleksitas transendental tidak dapat menjadi dasar energi murah.


ITER dan pahlawan cerita ARC hari ini dalam satu skala.

Maka, seiring dengan perkembangan cabang ITER - DEMO, para peneliti dihadapkan pada tugas menemukan cara untuk menyederhanakan tokamaks, yang dengan cepat kehilangan dukungan di mata masyarakat umum.
Pada 2012, sebuah artikel diterbitkan oleh Vulcan: Tokamak kondisi-mapan untuk plasma yang relevan dengan reaktor - ilmu interaksi material, yang menjelaskan tokamak untuk mempelajari interaksi plasma dan material. Namun, ada beberapa solusi teknis baru yang menentukan arah baru. Yang utama adalah superkonduktor suhu tinggi (HTSC) dalam gulungan toroidal dan wadah ganda dari ruang vakum. Kami akan berbicara tentang keuntungan dari solusi ini sedikit lebih rendah, tetapi untuk sekarang - mengapa HTSC tidak masuk ke ITER?


Konsep Penelitian Vulcan Tokamak.

Seperti yang Anda ketahui, superkonduktivitas suhu tinggi ditemukan pada tahun 1986, dan produk komersial pertama muncul pada pertengahan 90-an. Saat itulah, pada tahun 93-98, versi ITER pertama sedang dikembangkan (beberapa orang tahu bahwa versi pertama bahkan lebih besar dengan “pengapian” plasma). Dalam proses penelitian, HTSC ditolak karena terlalu kasar dan tidak dapat diandalkan untuk jatuh ke dalam proyek yang menuntut seperti ITER. Hanya pada awal 2000-an penelitian CERN dalam hal penerapan HTSC menunjukkan bahwa teknologi itu "matang". Namun, mereka kembali tidak jatuh ke dalam ITER, terlepas dari kenyataan bahwa pada tahun 2000-2006 pengembangan versi kedua tokamak ini sedang berlangsung. Kali ini alasannya adalahbahwa pada saat itu tim ITER telah menguji prototipe kumparan toroidal dengan magnet NbSn3 suhu rendah dan tidak ada yang akan membuang hasil dari pekerjaan yang sangat mahal ini dan memulai dari awal lagi.


Tes prototipe kumparan medan toroidal ITER pada musim semi 2004 di instalasi SULTAN, Swiss.

Dengan demikian, HTSC dan ITER berbeda dalam waktu beberapa tahun. Namun, hari ini situasinya telah berubah secara dramatis - kaset HTSC generasi kedua berhasil mengeluarkan senyawa niobium intermetalik tradisional.


Prototipe bagian REBCO 12 x 12 mm yang diuji di CERN dengan arus 7 kA adalah 10 kali lebih sedikit dari yang dibutuhkan untuk ARC.

Menyimpulkan kemajuan dalam banyak industri teknis selama 15 tahun terakhir sejak pengembangan proyek ITER, para ilmuwan dari MIT institut Amerika yang terkenal (menarik bahwa di antara mereka adalah salah satu pengembang DinomakDA Sutherland) mengusulkan konsep tokamak ARC - singkatan dari Affordable, Robust, Compact, i.e. terjangkau, kuat dan ringkas. Memang, dalam konsep yang diusulkan, parameter ITER dapat diimplementasikan dalam sebuah mesin dua kali lebih kecil untuk 1/10 dari biaya reaktor internasional.

Jadi, ARC ( artikel , PR ) didasarkan pada ide-ide Vulcan - penggunaan gulungan toroidal HTSC dan dinding ganda ruang vakum. Apa yang diberikannya? Banyak! Mari kita lihat diagram "medan magnet kritis / suhu" untuk superkonduktor yang berbeda.


Di sini kami menunjukkan ketergantungan suhu pembatas dan medan magnet di mana superkonduktivitas dipertahankan. Untuk YBCO dan REBCO yang lebih luas, zona ini telah mencapai 30 T pada suhu operasi yang jauh lebih tinggi.

Dapat dilihat bahwa untuk kaset REBCO seseorang dapat mencapai bidang yang jauh lebih besar tanpa kehilangan superkonduktivitas pada suhu yang sama, atau membuat bidang yang sama pada suhu yang jauh lebih tinggi. ARC berfokus pada bidang 9,25T pada sumbu plasma (dan 23T di dalam gulungan dekat dengan catatan laboratorium modern!) Dan suhu 20K. Nilai pertama hampir 2 kali lebih besar daripada di ITER, yang berarti bahwa pelepasan daya plasma meter kubik tumbuh 6 kali ( mengapa demikian? ). Ini berarti menerapkan teknologi semacam itu. kita bisa mendapatkan daya fusi 500 megawatt dalam volume tokamak JET yang ada (hampir).


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

Bahkan, bidang maksimum yang dapat dicapai dalam tokamak menggunakan REBCO mulai beristirahat bukan pada sifat-sifat superkonduktor (pencipta ARC meletakkan kepadatan saat ini sama dengan catatan industri saat ini, tetapi HTSC berkembang pesat), tetapi dalam kekuatan mekanis struktur. Tekanan medan tumbuh 4 kali dibandingkan dengan ITER, dan hanya dimensi yang dikurangi memungkinkan kami untuk mengatasi masalah ini. Tegangan pada "sangkar" gaya yang kuat dari paduan ARC Inconel 718 akan mencapai 60 kg / mm ^ 2 dan akan mendekati batas (100 kg / mm ^ 2) dalam struktur logam. Harus diingat bahwa perpanjangan kumparan superkonduktor lebih dari 0,2% tidak dapat diterima, karena dalam hal ini, arus kritis yang diizinkan mulai berkurang.


Satu tulang rusuk dari tokamak ARC dan tegangan di dalamnya. Batas keamanan hanya 1,5 kali kecil untuk konstruksi industri.

Fitur penting dari sistem yang direncanakan adalah kemudahan pembongkarannya - sistem tokamak magnetik ARC dapat dibagi di sepanjang garis khatulistiwa, dan melepaskan bagian atas memungkinkan akses yang mudah ke interior dengan semangat reaktor nuklir modern. Ini sangat menyederhanakan tugas perawatan, yang saat ini diselesaikan dengan menciptakan sistem robot yang membingungkan yang melayani torus internal melalui bukaan port antara kumparan toroidal.


Ilustrasi pembongkaran tokomak dengan mengganti shell bagian dalam ruang vakum. Permukaan biru adalah cangkang dinding luar ruang vakum; lelehan FLiBe bersirkulasi di antara dua dinding.

Dinding ganda ruang vakum memecahkan masalah ITER lainnya. Sebuah sistem kompleks untuk melindungi reaktor dari neutron dan radiasi elektromagnetik paling keras dari plasma yang terbakar, yang disebut selimut - dalam kasus tokamak internasional - adalah sebuah karya teknik, dengan kesulitan besar dalam desain, pembuatan, pemasangan, dan perubahan. Peneliti MIT mengusulkan menggunakan selimut cair dari "garam nuklir" FLiBe alih-alih struktur mekanik yang kaku (yang akan diperumit dengan kebutuhan untuk mendapatkan tritium dalam selimut dengan menyinari lithium dengan neutron dari plasma). Garam ini - campuran lithium dan berilium fluorida sering ditemukan dalam proyek reaktor garam cair, dan dalam termonuklir modern.. Ini lembam dan memiliki sifat neutron perlambatan dan penyerapan yang sangat baik, dan dalam kondisi reaktor termonuklir memungkinkan untuk mereproduksi tritium yang terbakar. Hal ini terjadi dengan mengalikan neutron dengan berilium (satu neutron energetik menimbulkan 2 yang kurang energik pada inti berilium), dan kemudian reaksi nuklir lithium dengan neutron Li6 + n -> T + He4. Garam cair akan bekerja tidak hanya dengan perlindungan neutron dan mengembalikan cadangan tritium, tetapi juga akan menyerap semua panas yang dihasilkan oleh reaksi termonuklir, memberikannya ke siklus turbin.


Desain ARC alternatif bahkan lebih murah, dengan proporsi FLiBe yang lebih besar (biru muda), tetapi kurang tahan lama dan dengan bidang yang lebih kecil.

Penyederhanaan penting lainnya adalah orientasi tokamak ke arah operasi non-induktif. Pada mesin besar modern, stabilitas plasma didukung oleh penciptaan arus yang kuat di dalamnya. Arus, pada gilirannya, dibuat oleh induktor pusat dan mode ini dapat berlanjut sementara induktor dilepaskan dari maksimum positif ke arus negatif maksimum. Dengan demikian, tokamak dalam mode induktif adalah mesin berdenyut secara fundamental, bahkan jika pulsa dapat bertahan 20 menit, seperti yang direncanakan untuk ITER. Namun, suatu alternatif juga dimungkinkan - arus dibuat oleh sumber frekuensi radio khusus pada frekuensi resonansi hibrid yang rendah. Ini adalah sumber seperti itu, dengan kapasitas 20 megawatt, yang akan digunakan dalam ARC (namun, ini bukan solusi baru, dan dalam semua proyek tokamak modern ini adalah rezim).


2 megawatt pemancar gelombang hybrid rendah yang dipasang di tokamak Tora Supra.

Sisa pengembang mencoba mengandalkan pengembangan ITER, misalnya, pompa vakum cryosorption-nya direncanakan dalam sistem pemompaan.

Selain itu, pencipta menolak untuk memanaskan plasma dengan injeksi partikel netral - seperti yang kita tahu injeksi megah balok netral - salah satu komponen ITER yang paling kompleks. Pemanasan plasma hanya disediakan oleh ECRH dan resonansi frekuensi radio rendah hibrida. Keputusan ini juga berlaku untuk mobil yang lebih murah.

Beban radiasi pada shell bagian dalam ruang vakum tetap agak bermasalah. Tingkat set dosis yang merusak akan 30 detik.a.per tahun, mis. dalam beberapa tahun, kapal bagian dalam reaktor akan mendekati dosis maksimum untuk bahan saat ini. Namun, ada harapan bahwa kesederhanaan mengubah bagian dalam tokamak akan menyelesaikan masalah ini dan menunggu pengembangan bahan baru yang tahan nuklir (seperti baja keras yang terdispersi oksida).


Gambar dengan tanda bintang: parameter desain tokamak ARC.

Hasil pengembangan adalah munculnya pembangkit listrik termonuklir eksperimental, yang dapat dibuat dalam waktu yang sebanding dengan peluncuran ITER dalam mode pembakaran termonuklir (peristiwa ini akan terjadi tidak lebih awal dari 2027). Menurut peneliti, biaya stasiun semacam itu tidak akan melebihi beberapa miliar dolar dengan kapasitas 270 megawatt listrik. Ya, ini masih jauh dari nilai yang diinginkan, tetapi dengan penskalaan reaktor semacam itu dalam hal daya dan sirkulasi, harganya bisa sama dengan setidaknya energi nuklir (hingga $ 5.000 per kilowatt daya listrik), meskipun faktanya bahan bakar menjanjikan hampir bebas. Tentu saja, pekerjaan beberapa orang jauh dari penjabaran proyek-proyek seperti ITER, dan layak untuk mempertahankan pesimisme tertentu, namun, reputasi para peneliti lebih banyak berbicara tentang kelayakan instalasi dalam bentuk ini dengan dekat dengan parameter yang dimaksud.

Yah, senang melihat bahwa tokamaks masih memiliki sesuatu untuk dikatakan pada “anak-anak” alternatif, dan kisah mereka tidak akan berakhir dengan pembangunan dinosaurus raksasa - ITER dan DEMO.

Source: https://habr.com/ru/post/id384383/