Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

ITER: Магнитная система, часть II.

Аватар пользователя Лектор

Одной из важных проблем фундаментальной физики является так называемая “проблема точной подстройки”. Смысл ее в том числе, что поля, заключенные в материи, которыми определяется весь окружающий нас мир (электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые ядерные) отличаются между собой на десятки порядков по силе взаимодействия. Разброс параметров очень сильно озадачивает - ведь любое их изменение приведет к невозможности существания вселенной, которую мы знаем. Отвлеченную космологию очень хорошо иллюстрирует один момент из жизни термоядерных реакторов.


Я уже говорил о том, что при старте ИТЭР, в 850 кубических метрах (что сравнимо с объемом школьного зала) его вакуумной камеры будет находится всего 0,1 г дейтерий-тритиевой смеси, что примерно соответствует (если заморозить) шарику диаметром 6-7 мм. Ни один прибор в мире не способен почувствовать гравитационное притяжение от этого шарика, и даже постановка такого вопроса вызывает недоумение. А вот его электромагнитные силы мы почувствовать вполне в состоянии.


На этой картинке ELM-нестабильности плазмы портят стенки сферического токамака MAST


Плазменный разряд токамака ИТЭР начинается с удара микроволновым излучением на частоте 140 гигагерц мощностью 3 мегаватта. Уже через несколько десятков миллисекунд это воздействие превращает практически весь газ в плазму, высвобождая заключенные в нем электромагнитные силы. Одновременно быстрое изменение поля в центральном соленоиде и полоидальных катушках перекачивает магнитную энергию этих катушек в плазму, создавая в ней ток мощностью ~10 мегаампер. Через несколько секунд после старта те самые 0,1 грамма плазмы, притяжение которых не могли бы зафиксировать ни одни самые чувствительные весы в мире, начинают взаимодействовать с магнитами ИТЭР общей силой в примерно 400 тысяч тонн. Именно такая общая нагрузка возникает в силовой схеме реактора. Еще раз - 0,1 грамма и 400 000 000 000 грамм. Разница этих цифр дает представление о разнице электромагнитных и гравитационных сил, заключенных о единице материи, а вопрос “почему так дохрена??” - один из ключевых в современной физике :)


Когда в предыдущей части рассказа о сверхпроводниковых магнитах я говорил о том, что электромагнитные усилия  - важная составляющая при проектировании. Для сильнопольных магнитов TF и CS, эти усилия становятся абсолютно доминирующими при разработке. Тысячи тонн силы в каждом направлении изгибают, скручивают, тянут и толкают такую катушку, причем делают это циклически. При этом в рамках реактора смещение катушек ведет еще к большей разбалансировке, и срыву плазмы.


CS (в центре) и TF катушки (голубые по кругу). Видны 6 силовых поясов на TF, создающие мощную "клетку", замыкающую усилия.

Как мы помним, в случае катушек PF, имеющих в 2 раза меньшее поле, и чуть ли не в 10 раз меньшие нагрузки решение разгрузки проводников заключалось в толстых стальных оболочках вокруг свехпроводящего кабеля, укрепленных стеклопластиком. Кроме того, эти катушки будут закреплены во многих местах весьма массивными стальными ободами на общей силовой конструкции токамака.


Итак, тороидальные катушки ИТЭР. 18 гигантских магнитов, равномерно расставленных по кругу, образуют, фактически “магнитную стенку”. Состоящие в основном из стали, они занимают тем, что терпят, терпят, терпят электромагнитные усилия, составляющие до 40000 тонн центрирующего и 25000 тонн скручивающего воздействия. Если разрезать катушку, то можно увидеть все 134 витка сверхпроводящего кабеля, по которому будет течь постоянный ток в 68 килоампер. Чем хорош сверхпроводник - ток будет течь почти без потерь, и не смотря на чудовищные 41 гигаджоуль, запасенные в системе из электрически последовательно соединенных TF, на поддержание тока в них потребуется всего несколько сот киловатт мощности. Для сравнения, оценка для медных “теплых” магнитов дает мощность в 1,8 гигаватта.


ТТХ катушки. В сечении сталь составляет 79%, а плотность тока падает с 200 ампер на мм2 в сечении стренда до 11 ампера на мм2 сечения катушки.


Готовое изделие представляет собой D-образную конструкцию, размером примерно 14х10 метров и сечением почти 1х1 метр, весом ~350 тонн (на картинке немножко неправильно :)). Не смотря на смещающие силы (опять они) витки с током не должны уйти от начального положения больше чем на 30 миллиметров. Это достигается с помощью очень массивного стального корпуса с сечениями стальных стенок до 300 мм, изготовленного с очень высокой точностью (1-2 миллиметра на базах до 13000 мм) скрепленного с другими TF катушками в силовой каркас токамака.


Для охлаждение сверхпроводника используются 2 системы. Для начала, весь реактор помещают в вакуум, и укутывают отражающими охлаждаемым до 80 К экранами. Теперь тепловой поток на катушки идет только от холодных экранов и опор. После остывания всей конструкции катушки до 80К, внутрь кабель-проводников подается жидкий гелий, который охлаждает сверхпроводящие стрэнды до 4.5 К. Весь процесс охлаждения должен занять 4 недели.


Если бы катушки тороидального поля делали из стекла, они получались бы довольно красивыми.


Теперь посмотрим на производственный процесс TF катушек. Как мы помним, для NbTi основой являлся метод вытягивания металлических сборок NbTi в меди в стэнд, внутри которого получаются тысячи филаментов сверхпроводника диаметров в пару микрон. Но для Nb3Sn так сделать невозможно - материал слишком хрупкий. Поэтому слитки ниобия размещают в сборке в бронзе, т.е. в сплаве олова Sn и меди Cu. После формирования стэнда, в котором ниобиевые филаменты оказываются в бронзовой матрице можно выполнить хитрый трюк - если такой материал нагреть до 650 С, то ниобий начнет отнимать олово из бронзы, образуя Nb3Sn, и мы получим нужную конструкцию сверхпроводникового стренда. Более того, такой провод можно будет немножко шевелить без разрушения.

Если очень долго тянуть, то получается вот это.

Срезы ИТЭРовских стрендов. 2 слегка разные технологии обуславливают разный вид.

Технология изготовления таких стрэндов была разработана во ВНИИНМ, и ОАО ТВЭЛ построило на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) цех, в котором происходило производство сверхпроводника темпом примерно 25-35 тонн в год, закончившееся 3 декабря 2014 года.

Посмотрим дальнейшую судьбу “недосверхпроводникового” стрэнда на примере отечественного. Из Мордовии их везли в Подольск, где на опять же, специально построенном участке во ВНИИКП в 5 укрупняющих стадий сматывался кабель. Замечательное видео об этом процессе можно увидеть здесь. В этом же видео можно видеть следующий технологический этап - затягивание (джекетирование) кабеля в силовую и герметизирующую оболочку из нержавеющей трубы. Труба сваривается из 10-ти метровых отрезков в 760 метровый кусов, после чего в нее тросом затягивается кабель. Полученный кабель-в-проводнике слегка обжимается и наматывается в 4-х метровую шпульку. И отправляется в Италию.


Размотчик-выпрямитель кабеля, уже в италии.



Там, на предприятии ASG выполняют следующую операцию - интеграцию проводника в радиальную плату. Что такое радиальная плата? Это пластина из нержавейки толщиной 130 мм и размерами с магнит (13х7 м), которая будет воспринимать нагрузки (те самые тысячи тонн) и передавать их на корпус. Производство радиальных пластин - отдельная песня, можно глянуть видео одного  и другого основного европейского подрядчика.


Изготовление РП - это перевод ценной нержавейки в стружку


Но допустим, на ASG привезли катушку кондиционного кабеля и плиту в которую его надо упаковать. Однако как мы помним, кабель у нас не сверхпроводящий, и может стать таким только полежав недельку в печи при 650 С. Поэтому для начала на специальном роботизированном столе кабель наматывают по форме, которую он будет принимать в радиальной плате. Получившаяся загогулина называется “двойной блин” (потому что кабель вставляется в РП с двух сторон). Двойной блин выполняется с исключительной точностью - что-то около 0,5 мм на базисе 13000. Теперь такой блин оправляется в печку для того, что бы химические компоненты внутри кабеля прореагировали.


Намотанный "двойной блин", перед отправкой в печку, японская версия

Через неделю, выгруженный уже сверхпроводящий элемент отправляется на другой роботизированный стол, на котором два слоя проводника слегка раздвигаются и между ними вставляется радиальная плата. Теперь выполняется следующий трюк - вдоль кабеля скользит голова, которая обматывает его несколькими слоями изоляции и специальной лентой, измеряющей электрическое поле вдоль провода (лента нужна для обнаружения квенча - потери сверхпроводимости), после чего кабель наконец опускается внутрь канавки в РП. Как мы помним, проводник внутри стал очень хрупким, поэтому все движения ограничены по амплитуде и выполняются очень нежно.


Обмотка прореагировавшего кабеля. Видна та самая лента для обнаружения квенчей


Робот задумался над заваренной радиальной платой


У этих пижонов есть еще и лазерный трекер для более точной привязки


После установки кабеля на место, канавки закрываются крышками и завариваются лазером (и роботами, куда же без них). В крышках оставлены отверстия, через которые в изоляцию вокруг кабеля нагнетают эпоксидную смолу - как и в случае PF проводников она прочно связывает кабель с окружающим металлом и формирует электрическую изоляцию. Кстати, в конце марта ASG отрапортовала о получении первой готовой РП.


Теперь мы обматываем радиальные платы еще одним слоем стекловолокна, собираем 7 плат в единый пакет. Последним, перед отгрузкой на площадку ИТЭР техпроцессом является установка внутреннего т.н. намоточного пакета с собственно сверхпроводящим кабелем в корпус и заварка корпуса. Этот техпроцесс будет выполнятся на предприятии Simic (Италия, 10 катушек) и Toshiba (Япония, 9 катушек).  Уфф.


Общая схема произошедшего



Ну что ж, я думаю все оценили запредельную гемморойность изготовления 350 тонного магнита на поле 11.2 Тесла. А как насчет 1000 тонного на 13.5?


Центральный соленоид CS ИТЭР - в очередной раз рекордное изделие. 13 метров высотой и 4 диаметром, это самый большой и мощный единичный магнит в мире. В принципе если бы мы взяли проводник на 45 килоампер длиной 36,5 километров и намотали бы его в 3360 витков - то такой магнит получился бы сразу. Однако по технологическим причинам весь CS разбит на 6 одинаковых модулей, каждый весом где-то по 120 тонн, а каждый такой модуль, в свою очередь наматывается из 6-слойных “блинов” (6 штук) и 4-слойных (1 штука). Это позволяет ограничить длину единичного проводника в 910 метров, а именно такая длина максимальна возможна на линии джекетирования в Японии, откуда поставляется кабель-проводник. Конструктивно модуль - 40 слоев по 14 оборотов в каждом, 5 соединений отдельных длинн, 19 фиттингов для впуска гелия и 20 для выпуска.


Один из 6 модулей CS смотрит на нас всеми своими 560 витками и 39 трубками для подачи гелия.

Сам кабель - все тот же Nb3Sn, правда специально доработанный для уменьшения потерь на переменном токе, в толстостенной квадратной оболочке из модифицированного высокопрочного сплава Инкалой 908.  


Конструкция кабеля.


Кабель свивается в 6- и 4-слойные блины специально разработанными 3D трубогибами, после чего блины идут в печку, потом на проводник наматывается 4-х слойная изоляция из стекловолокна и каптона. Всего, General Atomics, подрядчик ITER US, должна изготовить с учетом запаса 49 многослойных “блинов”. После выполнения 6 соединений проводника путем спайки, объединенный модуль обматывается по внутренней и внешней обечайке многослойной силовой оболочкой из стекловолокна и идет на вакуумную пропитку. Заключительным этапом сборки является приварка трубок для подачи и сброса охлаждающего гелия, а так же измерительных систем обнаружения квенчей.


Первый макетный шестиблин, еще до термообработки и сборки.

6 собранных модулей сформируют длинную катушку, в центре которой поле достигнет 13,5 тесла. Кстати про Теслы -  если положить на дно неодимовый магнитик диаметром 5 и высотой 1 см, то при включении центрального соленоида, его выстрелит в крышу на скорости 5,6 км/с, хотя может быть я и ошибся в предложениях как поведет себя неодим в таком поле :). Так вот, собранный магнит, естественно будет испытывать невероятные усилия, старающиеся растолкать его в стороны. Для нивелирования этого эффекта, он будет расположен между 17 стальными брусками, натянутыми в вертикальном направлении с усилием в 12000 тонн, и зажат между элементами тороидальных катушек. Сверху и снизу расположены по 9 элементов, задача который в контроле напряжения, центрировании и позиционировании CS, а так же разгрузке на силовой пояс вертикальных усилий.


Верхняя силовая сборка. Видна центрирующая тяга, и натяжные платы (внутренняя - синяя, 2 внешние - зеленоватые).


Интересно, что производство CS в Сан-Диего, на заводе General Atomics стартовало буквально неделю назад, с навивки первого шестиблина. При планируемом темпе в 3 блина в месяц GA собирается справится с производством центрального соленоида за 2,5 года.


Производство General Atomics. На совсем заднем плане виден "распружиниватель"-обмотчик прореагировавших блинов (с желтой Y-рамой)


В следующей части мы поговорим о высокотемпературных сверхпроводниках, высокотемпературных сверхпроводниковых шинах и о сложности передачи таких токов от горячих металлических брусков в криогенные сверхпроводники.


Система токовых шин, подключенных к сверхпроводящим магнитам.

P.S. Я обзавелся ЖЖ, пока контент везде совпадает, но со временем там будет больше мелких новостных постов.











Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя Старичок
Старичок(4 года 3 месяца)(14:10:21 / 19-04-2015)

Писец. Нифига не понял. Пойду - подотрусь дипломом. Давно пора.

Аватар пользователя s3va
s3va(5 лет 3 месяца)(14:23:44 / 19-04-2015)

Естественно. Ничего не понятно. Писал кто-то не русский.

Надо писать на родном языке. А не коверкать русский.



"Смысл ее в том числе, что поля, заключенные в материи, которым определяется весь окружающий нас мир (электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые ядерные) отличают между на десятки порядков по силе взаимодействия."



Комментарий администрации:  
*** Уличен в зловонных набросах ***
Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(14:25:54 / 19-04-2015)

Спасибо, поправил.

Аватар пользователя Maximus
Maximus(5 лет 1 месяц)(21:36:39 / 19-04-2015)

Не до конца, я думаю.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(21:41:39 / 19-04-2015)

Да, действительно, поправил. Глаз очень замылен, десятки раз уже этот текст прочел.

Аватар пользователя Maximus
Maximus(5 лет 1 месяц)(21:55:51 / 19-04-2015)

Тогда вот ещё. :)

Смысл ее в том числе, что поля, заключенные в материи, которыми определяется весь окружающий нас мир (электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые ядерные)


Я уже говорил о том, что при старте ИТЭР, в 850 кубических метрах (что сравнимо с объемом школьного зала) его вакуумной камеры будет находится всего 0,1 г дейтерий-тритиевой смеси, что примерно соответствует (если заморозить) шарику диаметром 6-7 мм.


Хотя, и так понятно.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(22:02:46 / 19-04-2015)

Done. Я уже давно думаю, кого бы попросить занятся вычиткой перед релизами :) Меня хватает только на фактологию и иллюстрации.

Аватар пользователя Maximus
Maximus(5 лет 1 месяц)(22:10:20 / 19-04-2015)

Я бы мог вычитку делать. Вопрос в том, за какое время её нужно сделать.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(14:26:49 / 19-04-2015)

А первую часть читали?

Аватар пользователя Старичок
Старичок(4 года 3 месяца)(14:53:35 / 19-04-2015)

Читал. Про откачные системы очень понравилось, но интересные подробности(какие насосы на форвакуум, какие на глубокий, чем стенки дегазировали, использовали ли сорбционные насосы в самой камере, как нынче ищут и меряют натекание на глубже х10-5, подсаживают-не подсаживают вытесняющий газ) пришлось на стороне искать. Спасибо, статьи интересные.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(14:59:29 / 19-04-2015)

>Про откачные системы очень понравилось, но интересные подробности(какие насосы на форвакуум, какие на глубокий, чем стенки дегазировали, использовали ли сорбционные насосы в самой камере, как нынче ищут и меряют натекание на глубже х10-5, подсаживают-не подсаживают вытесняющий газ) пришлось на стороне искать. 

Вообще я планирую и про вакуумную систему написать, но много чего для меня будет совсем новое, поэтому не скоро - читаю пока статейки по вакууму на ИТЭР время от времени. С электрическими вещами мне проще.


А что в вышеприведенном может быть непонятным? 

Аватар пользователя Старичок
Старичок(4 года 3 месяца)(15:03:28 / 19-04-2015)

Даже не знаю с чего начать. С тех жгутов сверхпроводников? Или с формы Мполя? Я вообще это читал как отчёт агента Молдера о использовании повреждённой НЛО в качестве самогонного аппарата фермерами Канзасса...

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(15:08:03 / 19-04-2015)

>С тех жгутов сверхпроводников? 

Помоему не сильно отличается от обычного медного кабеля.  


>Или с формы Мполя?

ВОт такая форма



TF содают тор, а PF и CS его подкручивают вдоль полоидальной оси.
 

Аватар пользователя Старичок
Старичок(4 года 3 месяца)(15:16:37 / 19-04-2015)

Смотрю видео, смотрю на приведённые срезы кабелей - где стальная спираль для охлаждения жидким гелием?  Джэкетируют алюминиевой трубой? Видео интересное. Гелий при 30кг/см2 для проверки - это внушает. Ан- нет. Труба стальная. Неожиданно...

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(15:20:30 / 19-04-2015)

>Смотрю видео, смотрю на приведённые срезы кабелей - где стальная спираль для охлаждения жидким гелием?

Спираль в центре кабеля. На видео ее видно начиная с 1.28, где ее сматывают из ленты, вокруг нее потом наматывают 5 шт. суб-кабелей.

Вообще схема скрутки кабеля:


>Джэкетируют алюминиевой трубой?

Нержавейка.


Я в принципе и предлагаю поэтому не стесняться спрашивать - очень много подробностей приходится оставлять за бортом.



 

Аватар пользователя Matroskin
Matroskin(5 лет 10 месяцев)(21:17:29 / 19-04-2015)

От медных проводов отличается, например оптимизирован шаг свививки. Первые проводо показали деградацию крит тока, поскольку был выбран не оптимальный шаг свивки, за счёт этого были возможены подвижки стрендов, и при многократном циклировании нагрузки приводило к деградации проводника. Сейчас для центрального соленоида используются проводники с коротким шагом свивки. Сам стренд покрыт тонким слоем хрома (NbTi  покрыты никелем) для увеличения межстрендового сопротивления. Ну и другие мелкие отличия..

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(21:47:21 / 19-04-2015)

На фоне разницы между проводником на базе ВТСП и медяшкой, эти ниобиевые СП - довольно классическим образом выглядят. Кстати, про повреждение Nb3Sn при циклировании и эксперементы с шагом свивки, я думал только специалисты из мира ИТЭР знают.

Аватар пользователя Maximus
Maximus(5 лет 1 месяц)(21:39:57 / 19-04-2015)

Жуткий хайтек.

Я думал, термояд по-проще будет. А он с атомом и не сравнится даже, намного сложнее, и, видимо, дороже.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(21:44:57 / 19-04-2015)

В атомной отрасли хватает своих довольно запредельных моментов - радиохимия, например, но здесь, конечно, намного-намного сложнее. Посмотрите вот это еще, например или вот.

Аватар пользователя Maximus
Maximus(5 лет 1 месяц)(22:17:32 / 19-04-2015)

Спасибо.

До Ваших статей я и не догадывался, насколько всё непросто в термояде.

Аватар пользователя gerasimenko-vla
gerasimenko-vla(2 года 9 месяцев)(14:13:03 / 19-04-2015)

А не думали физики о том, что неустойчивость плазмы в 3х мерном торе обьясняется тем,  что плазма образует устойчивый тор в 4х мерном или 5и мерном пространстве. ? И что если создать проекцию 5 или4 х мерного тора в нашем пространстве , то плазма сама себя будет стабилизировать?  Вроде на этих принципах стеллараторы действуют. Почему уперлись в токамак?

Комментарий администрации:  
*** Если ребёнок родился с браком - родителям следует положить ладонь на рот и нос, и с любовью разьединить душу и тело (с) ***
Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(14:24:03 / 19-04-2015)

>А не думали физики о том, что неустойчивость плазмы в 3х мерном торе обьясняется тем,  что плазма образует устойчивый тор в 4х мерном или 5и мерном пространстве. ? И что если создать проекцию 5 или4 х мерного тора в нашем пространстве , то плазма сама себя будет стабилизировать?  Вроде на этих принципах стеллараторы действуют. 


Стеллаторы решают некоторые принципиальные неустойчивости, грубо говоря, вместо того что бы удерживать плазму на иголке, они ее держат в стакане. Но не сказал бы, что это дается бесплатно, вот например схема катушек самого крутого на сегодня немецкого стеллатора W-7X



Причем по параметрам плазмы он соотвествует токамакам 80х


Насчет 4-хмерных и 5-мерных торов - никогда не встречал оценки МГД в многомерном пространстве, но вообще каким-то поискам правильной формы магнитного поля было посвящено очень много усилий в свое время. Просто кроме всяких МГД-неустойчивостей, связанных с давлением магнитного поля на поддатливую движущуюся поверхность плазмы есть еще всякие коллективные движения, неустойчивости на взаимодействиях разных компонентов плазмы - сотни их. Одной формой поля не решить.

 

Аватар пользователя Старичок
Старичок(4 года 3 месяца)(14:54:50 / 19-04-2015)

Это то, что называют твист-катушками?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(20:24:12 / 19-04-2015)

Не знаю, что такое твист катушки, но это самые обычные, просто форма у них сумасшедшая. 

Аватар пользователя Rashad_rus
Rashad_rus(5 лет 9 месяцев)(16:28:36 / 19-04-2015)

Поле в форме петли Мёбиуса они не пробовали, т.к. статичное магнитное поле в такой катушке физически невозможно, а вот СВЧ вполне....)))

Аватар пользователя gerasimenko-vla
gerasimenko-vla(2 года 9 месяцев)(16:33:29 / 20-04-2015)

Спасибо за Развернутый ответ

Комментарий администрации:  
*** Если ребёнок родился с браком - родителям следует положить ладонь на рот и нос, и с любовью разьединить душу и тело (с) ***
Аватар пользователя 123456
123456(3 года 10 месяцев)(15:47:11 / 19-04-2015)

на поддержание тока в них потребуется всего несколько сот киловатт мощности. Для сравнения, оценка для медных “теплых” магнитов дает мощность в 1,8гигаватта.

я думал в сверхпроводнике потери тока = 0, сотня киловатт это в тепло будет выделяться?

тогда на охлаждение сколько надо с учетом сжижения гелия ? мегаватт 10?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(19:46:33 / 19-04-2015)

Я не видел конкретизации этих потерь для ТФ, но думаю это все в основном  в "тёплой" части от преобразователя до катушек. 

Аватар пользователя Matroskin
Matroskin(5 лет 10 месяцев)(23:08:42 / 19-04-2015)

Есть ведь "джоинты", соединения двух секций сверхпроводящего провода. Джоинты хотя и имеют сопротивление в области наноом, но на нем выделяется тепло при прохождении тока. Во вторых сверхпроводящий кабель имеет нулевые потери только в постоянном магнитном поле. Как только поле начинает меняться, это изменение приводит к появлению потерь в сверхпроводящем кабеле, так называемые AC loss. Кстати, хромовое покрытие на стрендах и стальная оплетка вокруг лепесков делается в том числе для мининизации одного из видов этих потерь. В третьих, сами стренды хоть и не значительно но смещаются под воздействием силы лоренца. Смещение стерндов приводит к появлению механических потерь и нагреву проводника.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(23:34:40 / 19-04-2015)

Да, на соединениях точно что-то будет терятся, вопрос в размере этих потерь. На весь объем холодной массы температурой 4.5К в катушках TF запланирован теплоприток в ~20 киловатт, из них какая-то часть (киловатты) - это тепловыделение прилетающими из реактора нейтронами, какая-то часть - тепловой поток с криоэкранов, что-то с соединений. AC loss'ов там не будет, ток постоянный во время работы и стоянки. Если все соединения по 1 наноому, то потери на них будут 662 Вт, в общем-то не существенно.

Аватар пользователя Matroskin
Matroskin(5 лет 10 месяцев)(00:07:28 / 20-04-2015)

AC loss потери будут, они вызваны пульсациями магнитного поля благодаря меняющемуся току в плазме, при этом транспотрный ток в кабелях постоянный. Но на сколько существеннен вклад потерь в переменном поле в суммарные потери я не знаю. Сопротивление же джоинтов точно больше 1 наноома.

я думал в сверхпроводнике потери тока = 0,

Потери в сверхпроводниках отличаются от потерь на нагрев в обычных проводах.

Вот мы уже указали на 5 механизмов появления потерь в магнитной системе

- радиационный нагрев

- нагрев из за не идеальности крио защиты

- нагрев за счет механического движения стрендов в кабеле

- потери в кабеле в переменном магнитном поле

- оммические потери на соедиениях сверхпроводящих сегменов

насколько существенен вклад каждого это нужны специалисты, возможно так же что-то мы не учли

Аватар пользователя GoldenWorm
GoldenWorm(4 года 10 месяцев)(16:08:13 / 19-04-2015)

 ...обматывает его несколькими слоями изоляции и специальной лентой, измеряющей электрическое поле вдоль провода (лента нужна для обнаружения квенча - потери сверхпроводимости)...


Ну, предположим, мы обнаружили этой лентой потерю сверхпроводимости, что дальше? Останавливать установку, разбирать и выковыривать деградировавший  кабель?

Аватар пользователя Данила
Данила(3 года 5 месяцев)(16:37:28 / 19-04-2015)

А кто-то серьезно думает, что с помощью таких установок можно будет получать дешевую электроэнергию? оО

Аватар пользователя zaphrail
zaphrail(3 года 1 месяц)(09:14:49 / 20-04-2015)

 "А кто-то серьезно думает, что с помощью таких установок можно будет получать дешевую электроэнергию? оО"


 - не в этой жизни - даже если не касаться вопроса о топливе, которого для термояда нет и не предвидится в обозримом будущем... С реакцией дейтерий-дейтерий, которая не испытывала бы проблем с топливом, и конь не валялся - а реакции с тритием и гелием упираются в отсутствие оных трития и гелия, если не затрагивать фэнтези о самовоспроизводстве трития или лунном гелии :)

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(10:48:52 / 20-04-2015)

В общем-то в реакции n + Li6 -> T + He4 нет ничего фантастического, на ней работают термоядерные боеприпасы. Если говорить о балансе нейтронов, то тут тоже ничего не мешает их размножать на берилиевой стенке. 

Аватар пользователя zaphrail
zaphrail(3 года 1 месяц)(12:27:43 / 20-04-2015)

 "В общем-то в реакции n + Li6 -> T + He4 нет ничего фантастического, на ней работают термоядерные боеприпасы"


 - в реакции, разумеется, ничего фантастического.


"Если говорить о балансе нейтронов, то тут тоже ничего не мешает их размножать на берилиевой стенке"


 - вы уверены, что ничего не мешает? и что это единственная проблема с бридингом трития? странно, мне казалось, там список засад весьма внушительный.


  что ж, осталось продемонстрировать это "ничего не мешает размножать" на практике.


  к сожалению, вряд ли такая возможность в ближайшие десятилетия предоставится...


  


 

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(19:15:45 / 20-04-2015)

>- вы уверены, что ничего не мешает? и что это единственная проблема с бридингом трития? странно, мне казалось, там список засад весьма внушительный.

Список засад по всей ТЯЭС в целом настолько обширнее списка проблем бридинга, что не очень понятно, что более серьзно. Я бы бридинг назвал серьезной проблемой просто потому что никто не знает нужных технических параметров - никто и нигде не пробовал делать такие инженерные элементы.


Вот например спай меди (точнее сплава CuCrZn) с нержавейкой еще 20 лет назад был совершенно не изучен с точки зрения механических свойств после облучения, а т.к. в токамаках это важно, пришлось делать очень обширную программу изучения радиационной ползучести или охрупчивания при разных с.н.а. и температурах. Но вот теперь это известно, и дивертор/бланкет с таким подслоем проектируют довольно уверенно, и он уже не является проблемой №1 в ИТЭР. 


>к сожалению, вряд ли такая возможность в ближайшие десятилетия предоставится...

Да, есть ощущение, что ученые собираются жить вечно. Хотя тестовые бланкеты с бридингом в ИТЭР собираются уже через 1,5 года после пуска DT  кампании запустить.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(19:52:25 / 19-04-2015)

Речь идёт просто о потере сверхпроводимости, а вот что бы не повредить кабель, с него надо быстро сбросить ток. Если это сделано успешно, то для дальнейшей работы надо просто опять захолодить катушки и замагнитить их. 

Аватар пользователя Damage-bringer
Damage-bringer(2 года 8 месяцев)(16:29:41 / 19-04-2015)

нет слов

O_O

Аватар пользователя Карл Сруэ
Карл Сруэ(5 лет 9 месяцев)(21:18:56 / 19-04-2015)

я правильно понял - после сборки и запуска реактора не предполагается снимать-разбирать отдельные катушки? Т.е. нет права на ошибку в рассчётах/конструировании?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(23:34:05 / 19-04-2015)

Условно заменяемыми являются верхние PF #4,3,2,1 и CS. Соответственно ни TF, ни нижние PF не запланированы к замене и права на ошибку у них нет. Это, действительно, одна из самых серъезных проблем токамаков (неремонтнопригодность). Надеются выехать за счет интенсивного предварительного тестирования и последовательного запуска элементов. 

Аватар пользователя layaratan15
layaratan15(2 года 9 месяцев)(21:50:15 / 19-04-2015)

инт

Аватар пользователя Sashawww
Sashawww(3 года 1 месяц)(22:03:27 / 19-04-2015)

Вот на пальцах бы объяснили принцип работы токамака для тех, кто вообще не в теме.

Если отбросить приспособления по разогреву плазмы, то магниты собраны так, чтобы на каждый атом плазмы действовала сила перпендикулярная стенке тора. Это я про теорему о причесывании ежика. Только в торе так можно сделать.

Получается, что плазма собирается в тонкое кольцо. Если это всего 0,1 грамма в таком огромном баке, то сколько толщина кольца? А всего в 1 см от него вакуум получается? Существует картинка, показывающая плотности вещества в сечении работающего тора?

Никогда не думал, что там так мало вещества. Ну, допустим, получится у них реакция. Но для промышленной работы нужно гораздо больше. Все нагрузки будут в много порядков раз больше. Может промышленный токамак невозможно создать просто из-за нагрузок. 0,1 грамма это, наверное, в минуту в реакторе уменьшается вес топлива при превращении в энергию (от балды, не считал).

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(22:23:21 / 19-04-2015)

>Вот на пальцах бы объяснили принцип работы токамака для тех, кто вообще не в теме.

Тут не понятно, насколько далеко надо заходить с пальцами. В двух словах - взяли некоторый объем, напустили туда газа D +T. Нагрели до ~10 кЭв или 100 млн. градусов. При такой температуре движение атомов изотопов водорода становится насколько интенсивным, что при столкновении они могут слится и превратится в атом гелия и нейтрон. Дальше, поскольку у нас всегда есть утечка атомов, и процесс реакции вероятносный, то нам нужен некий баланс между поддержанием энерговыделения и его стока, что бы этот реактор функционировал. Этот баланс определяется размерами объема (чем больше - тем легче), исходной температурой для которой мы баллансируем энергопотоки (т.к. энерговыделение реакции растет с температурой), плотностью частиц и теплоизоляцией. В целом это характеризуется тройным произведением плотность*температура*время удержания , где произведение температуры и плотности определяет необходимое магнитное поле, а температура и время удержания - необходимые размеры и мощность нагрева токамака. 


>
Если отбросить приспособления по разогреву плазмы, то магниты собраны так, чтобы на каждый атом плазмы действовала сила перпендикулярная стенке тора. Это я про теорему о причесывании ежика. Только в торе так можно сделать.

Типа того, да. Задача - очень затруднить движение плазмы из центра к стенкам.

>
Получается, что плазма собирается в тонкое кольцо. Если это всего 0,1 грамма в таком огромном баке, то сколько толщина кольца?

0,1 грамма, но при температуре 150 млн градусов. Плазма занимает весь объем, просто к стенкам камеры ее температура падает в сотню раз, соотвественно и давление в этом месте гораздо ниже.

>Существует картинка, показывающая плотности вещества в сечении работающего тора?

Распределение плотности плазмы по сечению камеры примерно одинаковое, и резко падает по краям. Т.е. отступите 10-15 см от металла - и нарисуйте образующую - получите примерно сечение, в котором вся плазма. Это я упрощаю, конечно. 


При этом надо понимать, что давление  плазмы сильно выше в центре, чем по краям, за счет разницы в температуре.

>Ну, допустим, получится у них реакция. Но для промышленной работы нужно гораздо больше. Все нагрузки будут в много порядков раз больше. 

На самом деле не факт, что вообще будут больше. Можно просто сделать токамак еще больше размером и оставить поля такими же - автоматически упадет отношение площади плазмы к ее объему, и энерговыделение здорово приподнимется. Планируемые промышленные реакторы примерно такие - где-то те же поля и усилия, но больше размеры. Как нибудь напишу про них.

>
0,1 грамма это, наверное, в минуту в реакторе уменьшается вес топлива при превращении в энергию (от балды, не считал).


В реакторе происходит непрерывный оборот вещества - новое инжектируется, старое - откачивается на диверторе. 


Аватар пользователя Химикофизик

Спасибо за метериал, для меня, некоторые факты оказались крайне интересными, хотя и не неожиданными.

Хотелось  бы узнать Ваше мнение по поводу вброса со стороны Локхид-Мартин, похоже больше на пиар, но интересно узнать мнение экперта в этой области.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(22:27:27 / 19-04-2015)

Я, к сожалению, не эксперт в области физики плазмы, но с инженерной точки зрения они показали прототип на максимум пару киловатт тепловых - т.е. крайне далекий от заявленных 100 мегаватт (даже если это были лукавые 100 тепловых мегаватт). Конечно, возможны разные варианты (например, работа на водороде с пересчетом параметров на D +T топливо, при этом физика похожа, а энерговыделения нет), но в целом это пока выглядит слишком далеким от конечного продукта, что бы так смело делать заявления о мощности, размерах, стоимости и сроках.

 

Аватар пользователя startrack
startrack(5 лет 2 месяца)(22:18:56 / 19-04-2015)

Вопрос - а почему для магнитов нельзя было использовать высокотемпературные сверхпроводники? Или эта тема для следующей статьи?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(22:31:40 / 19-04-2015)

Все очень просто - программа разработки этих магнитов стартовала в 1996 году, когда ВСТП еще пребывали в лабораторно-зачаточном состоянии. Только последние 10 лет появились многообещающие варианты. У ВСТП есть очень серьзно осложняющие жизнь особенности, так что пока не понятно, можно ли из них сделать вот такой магнитик на десяток гигаджоулей. Т.е. проблема в скорости разработки таких штуковин, если бы начинали сегодня, может был бы и ВСТП. 

Но вообще инженеры смотрят на высокотемпературник YBCO с вожделением - если бы его можно было заменить 1 к 1, то ИТЭР бы сходу резко упростился, например в плане криогенной системы и тепловых экранов.

Аватар пользователя Иван Жуков

"Высокотемпературные" пока не держат высокие плотности токов.. Куперовские пары капризничают. Если проблема с ВТСП будет решена (при комнатной t), можно отложить ТЯС еще лет на 100, за счет повышения КПД в энергосистемах, хотя бы до появления адекватных мат.моделей поведения плазмы. Кстати, существует же плазменное, относительно устойчивое образование - шаровая молния..

Аватар пользователя Greit
Greit(5 лет 4 месяца)(20:13:41 / 20-04-2015)

Не могу никак понять, откуда и каким образом будет браться положительный выход энергии?

Накачка плазмы энергией через микроволновое излучение - это ее разогрев. Магнитное поле - для удержания плазмы от стенок. Внутренний поток воды в стенке - для охлаждения стенок. Но съем то энергии где??? В обычных электростанциях (ТЭС, АЭС) в котле/рекаторе генерируется пар, идущий на турбогенераторы.

А здесь что? Наведенные токи в особых обмотках? И каков планируется полезный выход (в самом идеальном случае), т.е. отношения выход/затраты энергии?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(21:43:32 / 20-04-2015)

Но съем то энергии где??? В обычных электростанциях (ТЭС, АЭС) в котле/рекаторе генерируется пар, идущий на турбогенераторы. А здесь что? Наведенные токи в особых обмотках? И каков планируется полезный выход (в самом идеальном случае), т.е. отношения выход/затраты энергии?

Эм, боюсь вас разочаровать, но ИТЭР не будет не вырабатывать ни ватта электроэнергии - только тратить. Почему так решили - ну во-1 это была бы самая дорогая электростанция в мире, во-2 желания энергетиков и ученых конфликтовали бы каждый день, а в-3 ИТЭР будет работать принципиально импульсно - в час он будет делать от одного до десятка импульсов плазменого разряда разной длительности и мощности, а между захолаживать обратно систему, приводить в порядок вакуум, заряжать магниты и т.п.

Аватар пользователя Greit
Greit(5 лет 4 месяца)(20:54:22 / 21-04-2015)

Мдаааа... ну хорошо, сделаем супердорогую и суперсложную установку, получим устойчивую плазму и что потом?

Есть хотя бы какие-то проработки схем и технологий энергогенерации на термоядерном синтезе? Топливо откуда?

Или это относится к фундаментальной науке?

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 5 месяцев)(21:02:22 / 21-04-2015)

Идея примерно такая: для того что бы спроектировать термоядерную электростанцию нужно уметь создавать стабильную плазму с не индуктивным режимом поддержания тока, уметь работать с тритием и тритиевой плазмой, уметь разрабатывать первую стенку, которую не придется менять раз в месяц и т.п. Для всех этих умений у нас сегодня не хватает данных, для получения этих данных строят ИТЭР. 

Следующая за ИТЭР установка - DEMO - это будет уже прототип электростанции. 

Аватар пользователя Greit
Greit(5 лет 4 месяца)(19:59:04 / 22-04-2015)

Честно скажу - что делается, внушает уважение и восхищение (я сам теплофизик, работаю в реальной энергетике).

По сравнению с ИТЭР наши ТЭС и АЭС - каменный век просто!!! Но невероятно высокая сложность всегда резко снижает надежность и ремонтопригодность, не говоря уже о требуемой квалификации персонала. Надеюсь, в итоге все получится.

Прочитав книгу Анпилогова А., также думаю, что термоядерная энергетика - пока единственный видимый путь к неограниченной энергии. У вас отличные статьи. Всегда читаю с удовольствием. Спасибо!

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...