Успехи термоядерных наук

tnenergy — 20.11.2016 В этом году китайский токамак EAST показал впечатляющий рекорд - 60 секунд неидуктивного горения в H-mode. При этом токамак был оборудован полнометаллическими первыми стенками и диверторами. Все это вместе - довольно значительное достижение. Почему?


EAST изнутри. Здесь показана старая конфигурация, в которой часть поверхностей покрыты углеродными плитками (черные).

Китайский токамак, пущенный в 2007, наряду с корейским KSTAR (пущенном в 2008) - единственные две новые серьезные термоядерные установки за последние 30 лет. Не самые рекордные по параметрам плазмы и не рассчитанные на работу с тритием (т.е. на исследование реального термоядерного горения, а не физики плазмы термоядерных параметров) они тем не менее воплощают все самые последние наработки ученых-токамачников.



Параметры плазмы, которые может создать EAST не дотягивают 1,5 порядка до нужных для термоядерной реакции, зато полностью сверхпроводящая магнитная система, мощный набор систем нагрева (инжекторы нейтральных пучков, радиочастотные системы ICRH с частотой в десятки мегагерц, LHCD с частотой в несколько гигагерц и ECRH (кстати, с отечественными гиротронами) с частой в 100-200 гигагерц) позволяют исследовать режимы удержания плазмы, характерные для ITER и DEMO.


Вакуумная камера EAST в 3 раза меньше камеры ИТЭР по всем измерениям и весит в 30 раз меньше.

Повторяя и в чем-то превосходя достижения термоядрных установок мира (а по параметрам EAST попадает на 6 место среди работающих и в топ 10 среди всех работавших токамаков) китайцы пока не рискнули связываться с тритием и реальным термоядным горением - это направление тянет за собой слишком много вопросов, и фактически только проект масштаба ИТЭР позволяет бескомпромиссно двигать прогресс. Хотя у Китая есть широкие планы по развитию термоядерной энергетики на базе токамаков, пока они ограничиваются физикой плазмы, решая важные вопросы по экспериментальной проверке сценариев удержания плазмы будущих энергетических токамаков.


Планы китайцев по пути к термоядерной электростанции похоже на ответ отличника, хорошо выучившего учебник.

Итак "60 секунд неидуктивного горения в H-mode с полнометаллической первой стенкой и дивертором", чего же здесь такого?

Начнем с "неиндуктивного горения".  Это явление - важнейший момент в переходе от лабораторных токамаков к промышленным электростанциям, т.к. оно определяет потенциальную длительность работы машины. В индуктивных режимах невозможно поддерживать плазму дольше ~600 секунд, в неиндуктивных возможна любая длительность (точнее говоря, ограничения по длительности теперь будут определятся другими факторами). Что же такое индуктивный и неиндуктивный режим?


Еще одна фотография сборки EAST - катушка тороидального поля (в стальном корпусе). Тоже ниобий-титановый сверхпроводник, с током в 4 раза меньше, чем в TF катушках ИТЭР и вдвое меньшим полем.

Одной из составляющих магнитного удержания плазмы в токамаке является кольцевой ток плазмы, который наводится центральным соленоидом (т.е. электромагнитом), причем это возбуждение  тока происходит за счет изменения значения тока через соленоид. Поскольку ток можно менять только в определенных пределах, например в ИТЭР это будет уменьшение от +55 килоампер до -55 килоампер - всего 110 килоампер амплитуды, и длительность импульса определяется временим "перекидывания" центрального соленоида. Обратный ход соленоида (т.е. режим переменного тока) теоретически возможен, однако на практике требует слишком большой мощности, закачиваемой в соленоид - на порядок больше, чем обычном индуктивном.


Центральный соленоид EAST - выполнен из сверхпроводника NbTi. Обычно даже в неиндуктивных режимах он используется на старте, однако китайцы хотят показать полностью работу токамака без его использования.

 Однако ток в плазме можно создавать не только с помощью соленоида, а еще и с помощью систем нагрева плазмы - особенно эффективны тут инжекторы нейтрального пучка и радиочастотные электромагнитные волны. Именно такое поддержание тока и называется неиндуктивным. Самым желанным вариантом является полный перевод токамака на радиочастотные методы нагрева и поддержания тока плазмы. Именно такой режим был достигнут на EAST в этом году.



Расположение систем нагрева EAST на портах вакуумной камеры. Системы нагрева играют решающую роль в получении и изучении плазмы термоядерных параметров. Кстати, на EAST установлены 2 мегаваттных гиротрона (система ECRH) российского производства.

Второе достижение касается H-mode. Одним из немногих подарков природы физикам-плазмистам является так называемый H-mode режим работы токамаков. Найденный в 1982 году экспериментально он позволяет "забесплатно" получить двое лучшее время энергетического удержания - т.е. снизить вдвое утечку энергии из плазмы. Конкретный механизм состоит в самоподавлении турбулентности плазмы на внешнем краю плазменного шнура (возле стенок), что при достаточном нагреве приводит к крутому градиенту температуры от краев к центру. "Достаточный нагрев" здесь ключевой момент - именно совершенствование систем нагрева привело к обнаружению столь полезного свойства термоядерной плазмы. Обратной стороной H-mode является ELM-неустойчивости - релаксации того самого крутого градиента температуры, проявляющиеся в виде горячих филаментов плазмы на ее краю


Типичные ELM в сферическом токамаке MAST

ELMы оставались бы иллюстрацией красоты плазменных явлений, если бы не одна особенность - попадая на дивертор они высаживают свою энергию в материале приводя к испарению, разбрызгиванию и прочим неприятностям. Однако неприятности не ограничиваются повреждением дивертора - в больших токамаках они могут быть гораздо более катастрофичными - ведь капля вольфрама при попадании в центр плазменного шнура становится многократно ионизированной вольфрамовой плазмой, которая начинает высвечивать энергию в ультрафиолете с многогигаваттной мощностью, и здесь встает вопрос выживаемости всей внутренней оболочки реактора.


Моделирование ELM срыва в ИТЭР. Пиковая тепловая нагрузка на элементы дивертора 3 Гвт/м^2, при максимально допустимой 20 Мвт/м^2.

На счастье физиков-плазмистов, некоторые предложенные ими методы подавления ELM-неустойчивостей работают. В частности, это достигается расположением специальных катушек на внутренней поверхности токамака, которые заставляют край плазменного шнура терять энергию, необходимую для генерации ELM.


Набор катушек для контроля ELM (синие и зеленые) в ИТЭР - 27 штук выполненных из 4/6 витков медного водоохлаждаемого кабеля с изоляцией из MgO2 и током 10 кА

И тут, возвращаясь к исходной новости, можно отметить, что китайцы добились полного подавления ELMов, продемонстировав минуту работы токамака в H-mode без ELM-срывов, что снимает некоторые напряженные моменты из жизни планировщиков экспериментов ИТЭР.



Важен и другой аспект - полнометаллический дивертор. Как видно из истории с ELM - металлы с высокими зарядовыми числами - не самый хороший выбор. Долгое время в качестве материалов дивертора использовали углеродные композиты - плитки примерно как на шаттлах (только не силицированные) или чисто графитовые. Однако если мы хотим получить дивертор, который будет работать долго без замены, не будет накапливать тритий и реагировать с водородом и выдерживать большие нейтронные потоки - то необходимо использовать вольфрам (в будущем возможно удасться довести до рабочего состояния диверторы из карбида кремния или ванадиевых сплавов, однако сейчас это слишком сырая технология).

Наконец, говоря о 60 секундах нужно вспомнить о прошлогоднем достижении корейских конкурентов - 55 секунд H-mode, правда индуктивной. Хорошо понятно, кому забивали баки китайцы. Впрочем, в скором времени заработает проапгрейженный французский токамак Tore Supra и японский JT-60SA - обе этих машины будут способны на 100+ секундные запуски, и китайцем видимо придется придумывать новые апгрейды и драться за новые рекорды.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив