Tokamak ARC aumentará as chances de armadilhas toroidais na luta por um futuro termonuclear

Qualquer pessoa familiarizada com a situação atual da fusão termonuclear controlada pode perguntar: por que existe tal viés no financiamento do TCB - nada menos que 3/4 vai para os tokamaks quando existem muitos outros grandes conceitos? A resposta é bastante simples: nos anos 70, os tokamaks avançaram, atingindo o ponto de equilíbrio nos próximos 20 anos - ou seja, obter a quantidade de energia termonuclear comparável ao custo de aquecimento do plasma reagente.


O robô de manutenção dentro do tokamak JET.


Se isso seria um acidente, ou tokamaki é realmente a maneira mais fácil de atingir temperaturas e densidades termonucleares, no entanto, o fato permanece: nenhum outro reator ainda foi capaz de atingir os parâmetros dos tokamaks dos anos 80 ~ 10% do critério de Lawson. No entanto, por sua vez, os tokamaks em seu desenvolvimento adicional atingiram rapidamente o limite das capacidades humanas. ITER - a instalação científica mais ambiciosa do mundo da complexidade transcendental não pode se tornar a base da energia barata.


O ITER e o herói da história atual do ARC em uma escala.

Assim, juntamente com o desenvolvimento do ramo ITER - DEMO, os pesquisadores enfrentam a tarefa de encontrar maneiras de simplificar os tokamaks, que estão rapidamente perdendo o favor aos olhos do público em geral.
Em 2012, um artigo foi publicado pela Vulcan: Um tokamak de estado estacionário para a ciência da interação plasma - material relevante ao reator, que descreve um tokamak para estudar a interação de plasma e materiais. No entanto, existem várias novas soluções técnicas que definem uma nova direção. Os principais são supercondutores de alta temperatura (HTSC) em bobinas toroidais e um caso duplo de uma câmara de vácuo. Falaremos um pouco mais sobre as vantagens desta solução, mas por enquanto - por que o HTSC não entrou no ITER?


Conceito de pesquisa Vulcan Tokamak.

Como você sabe, a supercondutividade em alta temperatura foi descoberta em 1986, e os primeiros produtos comerciais apareceram em meados dos anos 90. Foi então, nos anos 93-98, que a primeira versão do ITER estava sendo desenvolvida (poucas pessoas sabem que a primeira versão era ainda maior com “ignição” no plasma). No decorrer da pesquisa, os HTSCs foram rejeitados por serem muito rudes e pouco confiáveis ​​para se enquadrar em um projeto tão exigente como o ITER. Somente no início dos anos 2000, as pesquisas do CERN em termos de aplicabilidade do HTSC mostraram que a tecnologia estava “madura”. No entanto, eles novamente não se enquadravam no ITER, apesar do fato de que em 2000-2006 o desenvolvimento da segunda versão deste tokamak estava em andamento. Desta vez, o motivo foique naquela época a equipe do ITER já havia testado protótipos de bobinas toroidais com ímãs de baixa temperatura NbSn3 e ninguém teria permitido jogar fora os resultados desse trabalho muito caro e começar tudo de novo.


Testes do protótipo da bobina de campo toroidal ITER na primavera de 2004 na instalação da SULTAN, na Suíça.

Assim, o HTSC e o ITER divergiram no tempo literalmente por vários anos. No entanto, hoje a situação mudou drasticamente - as fitas HTSC de segunda geração eliminam com sucesso os compostos intermetálicos tradicionais de nióbio.


O protótipo de uma seção de 12 x 12 mm de fita REBCO testada no CERN com uma corrente de 7 kA é 10 vezes menor do que o necessário para o ARC.

Resumindo o progresso em muitas indústrias técnicas nos últimos 15 anos desde o desenvolvimento do projeto ITER, cientistas do conhecido instituto americano MIT (é interessante que entre eles esteja um dos desenvolvedores do DinomakDA Sutherland) propôs o conceito ARC tokamak - um acrônimo para Affordable, Robust, Compact, ou seja, acessível, robusto e compacto. De fato, no conceito proposto, os parâmetros ITER podem ser implementados em uma máquina com o dobro do tamanho por 1/10 do custo de um reator internacional.

Portanto, o ARC ( artigo , PR ) é baseado nas idéias de Vulcan - o uso de bobinas toroidais HTSC e uma parede dupla de uma câmara de vácuo. O que isso dá? Muito de! Vamos dar uma olhada no diagrama “campo magnético crítico / temperatura” para diferentes supercondutores.


Aqui, mostramos a dependência da temperatura limite e do campo magnético em que a supercondutividade é preservada. Para YBCO e REBCO mais amplo, essa zona já atingiu 30 T a uma temperatura operacional muito mais alta.

Pode-se observar que, para as fitas REBCO, é possível obter um campo visivelmente maior sem perder supercondutividade na mesma temperatura ou criar o mesmo campo a uma temperatura visivelmente mais alta. O ARC concentra-se em um campo de 9,25T no eixo do plasma (e 23T no interior das bobinas está próximo dos registros laboratoriais modernos!) E uma temperatura de 20K. O primeiro valor é quase 2 vezes maior do que no ITER, o que significa que a liberação de energia de um metro cúbico de plasma cresce 6 vezes ( por que isso acontece? ). Isso significa que a aplicação de tal tecnologia. podemos obter 500 megawatts de potência de fusão no volume do tokamak JET existente (quase).


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

De fato, o campo máximo que pode ser alcançado em um tokamak usando REBCO começa a repousar não nas propriedades de um supercondutor (os criadores do ARC estabeleceram densidades de corrente iguais aos registros industriais de hoje, mas os HTSCs estão progredindo rapidamente), mas dentro da força mecânica da estrutura. A pressão do campo cresce 4 vezes em comparação com o ITER, e apenas as dimensões reduzidas nos permitem lidar de alguma forma com esse problema. A tensão na poderosa gaiola de força da liga Inconel 718 ARC atingirá 60 kg / mm ^ 2 e estará próxima do limite (100 kg / mm ^ 2) em estruturas metálicas. Deve-se lembrar que o alongamento de bobinas supercondutoras em mais de 0,2% é inaceitável, pois neste caso, a corrente crítica permitida começa a diminuir.


Uma nervura do tokamak do ARC e tensão nele. A margem de segurança é apenas 1,5 vezes menor para a construção industrial.

Uma característica importante do sistema planejado é a facilidade de desmontá-lo - o sistema de tokamak magnético ARC pode ser dividido ao longo do equador, e a remoção da parte superior permite fácil acesso ao interior no espírito dos modernos reatores nucleares. Isso simplifica bastante a tarefa de manutenção, que hoje é resolvida com a criação de intrigantes sistemas robóticos que atendem ao toro interno através das aberturas de portas entre as bobinas toroidais.


Ilustração da desmontagem de um tokomak com a substituição da concha interna de uma câmara de vácuo. A superfície azul é a concha da parede externa da câmara de vácuo; o FLiBe derrete circula entre as duas paredes.

A parede dupla da câmara de vácuo resolve outro problema do ITER. Um sistema complexo para proteger o reator dos nêutrons mais graves e da radiação eletromagnética de um plasma em chamas, chamado cobertor - no caso do tokamak internacional - é um trabalho de engenharia, com enormes dificuldades no projeto, fabricação, instalação e mudança. Os pesquisadores do MIT propõem o uso de uma manta líquida do “sal nuclear” do FLiBe em vez de uma estrutura mecânica rígida (que será complicada pela necessidade de obter trítio em uma manta irradiando lítio com nêutrons do plasma). Esse sal - uma mistura de lítio e fluoreto de berílio é frequentemente encontrado em projetos de reatores de sal líquido e nos termonucleares modernos. É inerte e possui excelentes propriedades de desaceleração e absorção de nêutrons e, nas condições de um reator termonuclear, permite reproduzir o trítio queimado. Isso acontece multiplicando os nêutrons no berílio (um nêutron energético dá origem a 2 menos energéticos no núcleo do berílio) e depois a reação nuclear do lítio com o nêutron Li6 + n -> T + He4. O sal fundido funcionará não apenas com proteção de nêutrons e restaurará as reservas de trítio, mas também absorverá todo o calor produzido pela reação termonuclear, dando-o ao ciclo da turbina.


O design alternativo do ARC é ainda mais barato, com uma proporção maior de FLiBe (azul claro), mas menos durável e com um campo menor.

Outra simplificação importante é a orientação do tokamak em direção à operação não indutiva. Nas grandes máquinas modernas, a estabilidade do plasma é suportada pela criação de uma corrente poderosa nela. A corrente, por sua vez, é criada pelo indutor central e esse modo pode continuar enquanto o indutor é descarregado da corrente máxima positiva para a máxima negativa. Assim, o tokamak no modo indutivo é uma máquina com pulsação fundamental, mesmo que o pulso possa durar 20 minutos, conforme planejado para o ITER. No entanto, uma alternativa também é possível - a corrente é criada por uma fonte de radiofrequência especial na baixa frequência de ressonância híbrida. Essa fonte, com capacidade de 20 megawatts, será usada no ARC (no entanto, essa não é uma solução nova e, em todos os projetos modernos de tokamak, esse é o regime).


Emissor de onda híbrida inferior a 2 megawatts montado em um tokamak Tora Supra.

O restante dos desenvolvedores tentou contar com o desenvolvimento do ITER, por exemplo, suas bombas de vácuo de criossorção estão planejadas no sistema de bombeamento.

Além disso, os criadores se recusaram a aquecer o plasma com a injeção de partículas neutras - como conhecemos os grandiosos injetores do feixe neutro - um dos componentes mais complexos do ITER. O aquecimento do plasma é fornecido apenas por ECRH e ressonância de baixa frequência de rádio-híbrida. Esta decisão também joga na direção de carros mais baratos.

A carga de radiação na parte interna da câmara de vácuo permanece bastante problemática. A taxa do conjunto da dose prejudicial será de 30 s.a.por ano, ou seja, em alguns anos, o vaso interno do reator se aproximará das doses máximas para os materiais atuais. No entanto, há esperança de que a simplicidade de alterar o interior do tokamak resolva esse problema e aguarde o desenvolvimento de novos materiais resistentes a energia nuclear (como aços temperados com óxido disperso).


Imagem com um asterisco: parâmetros de design do tokamak do ARC.

O resultado do desenvolvimento foi o surgimento de uma usina termonuclear experimental, que pode ser criada em um período comparável ao lançamento do ITER no modo de combustão termonuclear (esse evento ocorrerá antes de 2027). Segundo os pesquisadores, o custo dessa estação não excederá vários bilhões de dólares, com uma capacidade de 270 megawatts de eletricidade. Sim, isso ainda está longe dos valores desejados, mas com o dimensionamento desses reatores em termos de energia e circulação, o preço pode ser igual a pelo menos energia nuclear (até US $ 5.000 por quilowatt de energia elétrica), enquanto o combustível promete estar quase livre. Obviamente, o trabalho de várias pessoas está longe de ser elaborado em projetos como o ITER, e vale a pena preservar um certo pessimismo; no entanto, a reputação dos pesquisadores fala mais sobre a viabilidade da instalação dessa forma com os parâmetros pretendidos.

Bem, é bom ver que os tokamaks ainda têm algo a dizer para as “crianças” alternativas, e sua história não terminará com a construção de dinossauros gigantes - ITER e DEMO.

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