Вход на сайт

Облако тегов

АШ-YouTube

tnenergy: Новый российский токамак

Аватар пользователя Ctavr

 В этом году в Курчатовском институте ожидают поступление ключевых элементов нового токамака Т-15МД: вакуумной камеры с уже смонтированной магнитной системой. Хотя проект называется модернизацией, по сути это будет первая за последние 20 лет новая термоядерная установка в России.


Проектное изображение Т-15МД. В центре видна (темно-серая) вакуумная камера тороидальной формы, стрелочками подписаны разные магниты магнитной системы токамака.

 

Вложение приличных денег (2,5 миллиарда рублей) в еще один (наряду с ИТЭР) токамак может показаться неразумным на фоне концептуальной тупиковости машин такого размера, тем не менее это очень важный шаг для поддержания отечественной школы плазмистов и УТС. Кроме того, участвуя в ИТЭР, необходимо иметь токамак достаточных размеров, на котором можно отработать некоторые из идей, прежде чем испытывать их в большой международной лаборатории (и наоборот, углублять понимание данных, полученных на ИТЭР).

Для начала стоит вспомнить Т-15, который “модернизируется” в ходе данного проекта (в кавычках это, потому что Т-15МД - это абсолютно новая машина на площадке Т-15, а не модернизация). К моменту принятия решения о строительстве Т-15 СССР начал ощутимо терять лидерство в теории и практике токамаков. Проигрывая JET и TFTR в размерах, Т-15 должен был выигрывать за счет сверхпроводящих тороидальных магнитов, что позволяло сильно удлинить плазменные импульсы и получить плазму высокой плотности и температуры. Для этого было необходимо создать рекордные для начала 80х сверхпроводящие магниты с диаметром около 2 метров и полем на обмотке в 6,5 Т из технологически сложного сверхпроводника Nb3Sn. НИОКР, изготовление и сборка токамака заняла 7 лет.



Монтаж центрального солейноида в Т-15, 80е годы.
 

К сожалению, судьба Т-15 сложилась очень печально. Он был изготовлен с ошибками в системе криогенного охлаждения, еще больше проблем оказалось у вакуумной камеры, которая текла и не позволяла достичь необходимого вакуума. В итоге с 1988 по 1995 удалось “пощупать” только инжерную область параметров - короткие импульсы в 1 секунду с током до 1 МА (при планируемом 2 МА и десятках секунд).

Что характерно, к моменту пуска Т-15 в мире появился конкурент, французский сверхпроводящий токамак Tore Supre, с очень похожими размерами и идеологией. И именно ему принадлежит сегодняшний рекорд по длительности плазменного импульса - порядка 1000 секунд.


Tore Supra во время апргрейда в диверторную конфигурацию (как раз установку опоры дивертора внизу мы видим) под названием WEST. Видно, что Tore Supra гораздо более горизонтально вытянут, чем планируемый Т-15МД.

 

За прошедшее время Т-15, конечно, устарел и морально, и по задачам. Поэтому в рамках “модернизации” команда Курчатовского института во главе с Э.А.Азизовым в свое время предложила на месте Т-15 создать токамак Т-15МД. В новой машине для снижения стоимости и сложности не используются сверхпроводники - магнитная система намотана медным проводником с водяным охлаждением. Новый токамак почти сферический, что позволит поднять плотность и температуры плазмы в тех же габаритах (точнее говоря, плазма остается стабильной при бОльшем отношении давления плазмы к давлению магнитного поля), что и для старого Т-15. Вообще сферичность (или правильнее - аспект) токамака является интересным компромиссом - уменьшая аспект (т.е. делая токамак более сферическим) мы можем поднять давление плазмы при том же поле, но и поле у нас начнет уменьшаться, потому что в центре будет оставаться все меньше места для магнитов. Так, для сферических MAST и NSTX характерные значения тороидального поля - в районе 0.5-0.8 Т, при этом габаритные ограничения не позволяют поднимать поле за счет размещения сверхпроводящих магнитов.


Сверхпроводящий модуль советского токамака Т-15 с двумя тороидальными катушками во время сборки.
 

Основные параметры нового токамака, большой радиус R=1,5 м и малый радиус a=0,5 м, достижимая плотность 10^20 частиц на кубометр, максимальный ток плазмы в 2 МА и достижимые температуры электронов и ионов 5-9 кэВ, позволяют его поставить в топ 7 работающих на сегодня в мире установок. Конкретнее,  однозначно круче выглядят европейский JET, полностью сверхпроводящий корейский KSTAR, примерно аналогичная китайская машина EAST, и пущенный в ноябре 2016 обновленный Tore Supra, который теперь называется WEST.



Однако Т-15МД вполне можно будет поставить в один ряд с такими машинами, как  американские D-IIID и NSTX, немецкий ASDEX-U и  английский MAST, т.е. Т-15МД получается примерно как топовые национальные машины, введенные в строй до 2000 года.


Еще лучше позиция Т-15МД среди сферических токамаков, если все же отнести его к сферическим - третье место.

 

Важным апгрейдом является появление дивертора в Т-15. Дивертор - это устройство для контролируемого непрерывного “слива” части плазмы, что позволяет с помощью непрерывной рециркуляции поддерживать ее чистоту. Это устройство, обычно выполненное в виде кольца внизу или вверху вакуумной камеры абсолютно необходимо для достижения длительных высокопараметрических режимов горения плазмы, однако оно же и самое уязвимое. В любой ситуации, когда энергия плазмы аварийно высвобождается (при срывах или ELM-неустойчивостях), она идет вдоль линий магнитного поля преимущественно на дивертор, который должен выдерживать чудовищные тепловые нагрузки (до десятков гигаватт на метр квадратный в течении миллисекунд).


Разрез Т-15МД и модель вакуумной камеры. На разрезе отмечен дивертор и сепаратриса - место размыкания линий магнитного поля, через которые "утекает" плазма.

Физика и технология дивертора крайне непроста и местами до сих пор плохо изучена. И именно с приходом Т-15МД у Российских физиков наконец появится возможность полноценно вести исследования взаимодействия плазмы и дивертора.

Учитывая доминирование темы ИТЭР в жизни российских плазмистов, было так же принято решение о конфигурации Т-15МД таким образом, чтобы получить по основным геометрическим и плазменным параметрам ¼ ИТЭР, что позволяет проще обрабатывать сценарии ИТЭР на отечественной машине, в том числе все современные задачи токамачной науки (срывы и МГД-неустойчивости, взаимодействие инжекции нейтралов и плазменных волн, H-моду и ELM-неустойчивости, их подавление, запуск токамака электрон-циклотронным разрядом).

Еще одной важной новинкой для отечественных физиков должны стать режимы неиндуктивного поддержания тока - наряду с дивертором одна из важнейших и горячих тем для мирового токамачного сообщества, в т.ч. Этому может помочь весьма мощный набор систем внешнего нагрева плазмы, доставшийся “в наследство”, включающий 7 мегаватт 112-гигагерцовых гиротронов и 3 инжектора нейтрального пучка изготовления (плюс один новый диагностический инжектор производства ИЯФ). В дальнейшем, если будут позволять финансы, к этому добавится две радиочастотные системы: 6 мегаватт нагрева за счет ион-циклотронного резонанса и 4 мегаватта нижнегибридного (2,45 ГГц) резонанса (частота позволяет собрать эту систему из пары тысяч промышленных микроволновок :)). С другой стороны, медная магнитная система никогда не позволит повторить рекорды EAST, KSTAR или Tore Supra в сотни и тысячу секунд, ее предел 20-30 секунд, после чего достигается максимальная рабочая температура и магнитны нужно отключать.


Отечественный гиротрон (АО "Гиком") во время установки на немецком токамаке ASDEX-U. Похожие будут использованы на Т-15МД.

В целом, медная магнитная система при общей дешевизне имеет несколько серьезных минусов - прежде всего это ограничение на длительность работы (10 секунд на максимальном токе и соответственно, поле) и большую потребляемую мощность (около 250 мегаватт, включая реактивную мощность). Под эту мощность в Курчатовсккий Институт заказал у промышленности активные тиристорные выпрямители и реконструирует подстанции 110/10 кВ. Интересно, что потребовалось совместное с МОЭСК моделирование, чтобы убедится, что набор 300 МВт нагрузки за 5 секунд не обрушит московскую энергетику.


Моделирование напряжения, тока и температуры в тороидальных катушках во время 10-секундного запуска.

Электромагнитная система Т-15МД состоит из 16 тороидальных и 6 полоидальных катушек, 3 секций центрального соленоида и 4 корректирующих катушек. Медно-серебряный проводник тороидальных катушек размером 22,5х32 мм имеет отверстие D10.5 мм для прокачки охлаждающей воды. Для других катушек используются сопоставимые проводники.

Все эти катушки были успешно намотаны в 2014-2015 годах в НИИЭФА и на Брянском предприятии “ГКМП” и собраны в корпусах из нержавеющей стали. В прошлом году, кроме того, была проведена контрольная сборка ЭМС необходимая для выверки взаимного расположения магнитов, заданная физиками как +-1 мм допуска.


"Клетка" из тороидальных магнитов и корректирующие катушки (оранжевые)

Внутри электромагнитной системы будет расположена вакуумная камера из нержавеющей стали сложной вытянутой формы с более чем 100 отверстиями для технологических систем и диагностик. Вакуум обеспечивается 4 турбомолекулярными насосами и 2 криосорбционными помпами. В отличии от сверхпроводящих токамаков, здесь отпадает нужда в втором вакуумированном сосуде (криостате) и криогенных тепловых экранах для теплоизоляции катушек от атмосферы и вакуумной камеры.

Как обычно, в высоковакуумных устройствах, вакуумная камера Т-15МД оборудована греющим проводом для обеспечения дегазации поверхностей.


Вакуумная камера Т-15МД в процессе сборки.

Новый российский токамак будет оборудован лимитерами (диафрагмами, ограничивающими форму плазменного шнура на начальных этапах формирования) и дивертором из углерода, что в общем-то прошлый век (сейчас все токамаки переходят на полнометаллические камеры с бериллием и вольфрамом), но тут уж видимо все упирается в технологически и финансовые возможности - в любом случае, сделать вслед за Tore Supra и JET апргрейд на металлический дивертор и лимитер будет не так сложно, как построить новую машину.


Научное оборудование Т-15МД. Здесь черным показаны траектории зондирующих центральную плазменную часть ионов Титана.

Т-15МД будет оборудован разнообразным научным оборудованием для получения параметров плазмы - прежде всего пятью сотнями датчиков магнитного поля, позволяющими понять магнитогидродинамику плазмы, болометрическими матрицами, получающими карты ИК-излучения плазмы, диагностическим пучком тяжелых ионов, позволяющим измерять распределение потенциала, плотности (и отсюда - турбулентности) плазмы, системой томпсоновского рассеяния на электронах, измеряющей температуру и плотность электронов, диагностическим пучком нейтральных атомов водорода, позволяющим измерять с высоким пространственным разрешением температуру, плотность и скорости ионов, наконец матрицами для приема мягкого рентгеновского излучения.


Последняя запущенная в России термоядерная установка - сферический токамак Глобус-М

Текущие планы по сооружению Т-15МД включают в себя получение на площадке в мае этого года вакуумной камеры и электромагнитной системы, оборудование вспомогательных систем токамака в 2017-2019 с пуском в 2019 году, хотя скорее всего эти планы будут сдвинуты вправо. Впрочем, учитывая, что предыдущий токамак в России  - небольшой сферический Глобус-М в питерском ФТИ был запущен в 1999 году, можно сказать, что это произойдет совсем скоро.

Авторство: 
Копия чужих материалов
Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя Алексей Николаевич Романенко

Для Человечества, в обозримом будущем, какую практическую пользу несёт данная установка?

Комментарий администрации:  
*** Кому было надо отключать сигнализацию в Зимней Вишне? Я думаю - Путину! (с) ***
Аватар пользователя Шахерезада
Шахерезада(3 года 12 месяцев)(21:48:39 / 27-02-2017)

Воспитание умов юных школьников школы плазмистов©

Комментарий администрации:  
*** Наглое глумливое отродье ***
Аватар пользователя Herz
Herz(7 лет 6 месяцев)(09:03:37 / 28-02-2017)

Можно добавить.. отечественных плазмистов©

Нужно же как-то яйцеголовых утилизировать, каждому свою игрушку

Комментарий администрации:  
*** Знакомьтесь - зеленый пиарщик, коронавирусный хайпожор и систематический дезинформатор ***
Аватар пользователя cr4zyr0m
cr4zyr0m(7 лет 6 месяцев)(20:28:54 / 01-03-2017)

Когда всё получится, это будет реактор на дешёвом и безопасном топливе (в отличии от урана). Такие реакторы можно будет ставить прямо на предприятиях, топливо почти бесплатное и бесконечное, спецперсонал с допуском не нужен, опасности нет (в отличии от ядерных урановых реакторов, которые должны быть далеко от городов, сырьё опасное, отходы вредные).

Аватар пользователя Herz
Herz(7 лет 6 месяцев)(21:36:01 / 01-03-2017)

Когда всё получится...

А между тем токамаки ушли из области реальной энергетики в область грандиозного циклопизма. В виде экспериментальной установки у ИТЭРа ещё есть смысл, но на этом всё.

Для иллюстрации пара картинок

- первая, ряд ИТЭР-Демо в сравнительном масштабе, и это ещё не электростанция!!! пирамида Хеопса тихо курит в сторонке )))

- вторая, стройка ИТЭР для оценки масштаба

Комментарий администрации:  
*** Знакомьтесь - зеленый пиарщик, коронавирусный хайпожор и систематический дезинформатор ***
Аватар пользователя Morrgo
Morrgo(4 года 7 часов)(22:10:32 / 27-02-2017)

Исследования по термояду несут практическую пользу. Это будет или вклад в дальнейшее развитие термоядерной энергетики, либо вклад в доказательство того, что термояд невозможен, кроме как в звездных масштабах. Отрицательный результат - тоже результат и довольно важный, хотя и, конечно, не настолько, как положительный.

Аватар пользователя Данила
Данила(5 лет 11 месяцев)(22:17:58 / 27-02-2017)

Возможен, но очень сложен.
Может для производства нейтронов сойдет, они очень дорого стоят за кг)

Аватар пользователя Morrgo
Morrgo(4 года 7 часов)(22:24:39 / 27-02-2017)

Это не известно. Вот для известности и нужны исследования. Тут по большому счету три варианта:

a) Возможен, экономически целесообразно

б) Возможен, но экономически не целесообразен

в) Невозможен в виду каких-то непреодолимых препятствий по свойствам материалов и пр.

Аватар пользователя Рева RarogCmex Денис

Невозможен даже на солнце ;). Почитай о составе солнечного ветра, затем сравни с нисходящим в солнце потоком вещества.

Аватар пользователя Общественник

Для "человечества" польза согласно стоимости, пошли все на хер прилипалы от Русских идей и изобретений.

Аватар пользователя Dobryak
Dobryak(3 года 9 месяцев)(10:24:28 / 28-02-2017)

Однажды к академику Флерову, кто рожал трансурановые элементы, среди которых не было ни одного стабильного для употребления в народном хозяйстве, приехала в Дубну погостить какая-то дальняя родственница. Она заглянула в садик перед коттеджем, увидела сплошные цветы и всплеснула руками:

- Ой, Георгий Николаевич, что-то вы не то делаете!

- Что же именно?

- Картошку надо сажать!

Аватар пользователя __Alex_loki_
__Alex_loki_(8 лет 4 месяца)(21:50:28 / 27-02-2017)

ещё не построено , а уже устарело .

Аватар пользователя Sapiens Sanya
Sapiens Sanya(8 лет 3 месяца)(22:35:20 / 27-02-2017)

 Появился бюджет -можно и строить, потом лет 20 исследовать, написать кучу диссертаций и получить вагон званий. После надо будет развивать науку дальше, выбить бюджет на улучшенную установку и по новой.

Аватар пользователя Андрей 4К-75
Андрей 4К-75(3 года 6 месяцев)(23:24:13 / 27-02-2017)

Ага , нет предела совершенству , но без этих исследований термояд двигаться не хочет .

Аватар пользователя Алексей Николаевич Романенко

Позиция современных термоядерных физиков от "науки" отражена на официальном сайте большого адронного коллайдера в церне. Суть которого в том, что: "ни какой пользы для человечества в обозримом будущем он не несёт и нести не может"!

Тогда возникают естественные вопросы:

1. Если нет пользы для Человечества, то какой вред для Человечества несут эти работы?

2. Кто и с какой целью финансирует эти бессмысленные работы?

 

Комментарий администрации:  
*** Кому было надо отключать сигнализацию в Зимней Вишне? Я думаю - Путину! (с) ***
Аватар пользователя serverny
serverny(3 года 11 месяцев)(03:57:40 / 28-02-2017)

1. Вы переврали "суть изложенную на сайте ЦЕРНа".

2. Вы не в курсе огромного количества научных и технологических прорывов, которые УЖЕ сделаны в ходе работ над БАК-ом.

С какой целью вы живете, если вам не жалко тратить время, чтобы напечатать пару лживых абзацев по теме, в которой не разбираетесь ?

Аватар пользователя Алексей Николаевич Романенко

По образованию, я физик. В отличии от Вас, я прекрасно понимаю суть того о чем говорю.

Комментарий администрации:  
*** Кому было надо отключать сигнализацию в Зимней Вишне? Я думаю - Путину! (с) ***
Аватар пользователя Ctavr
Ctavr(5 лет 1 месяц)(07:27:36 / 28-02-2017)

Если вы физик, тогда вы должны знать на сколько сильно продвинулись в сверхпроводимости благодаря заказам для БАКа и ИТЕРа.

Аватар пользователя Слон
Слон(7 лет 6 месяцев)(06:40:29 / 28-02-2017)

+1

Комментарий администрации:  
*** Альтернативно адекватен ***
Аватар пользователя morbo
morbo(4 года 4 месяца)(07:26:19 / 28-02-2017)

А термоядерные физики какое отношение имеют к БАКу? Вроде же разные вещи. Термоядерные установки - для извлечения энергии из термоядерных реакций. Сейчас просто для изучения процесса, в дальнейшем - для создания промышленных установок. БАК - для изучения фундаментальных свойств материи, изначально никакой практической цели не ставилось. Цель только в том, чтобы уточнить/проверить варианты теорий - стандартную модель, в которой есть бозон Хиггса, и альтернативные варианты теории, в которых бозона Хиггса нет.

Аватар пользователя Алексей Николаевич Романенко

Оно Вам надо?

Вы готовы пожертвовать на изучение бозона Хиггса хотя бы 1% от своей зарплаты?

Нет? Тогда, кто это такой щедрый, который тратит миллиарды долларов на самую дорогую экспериментальную установку за всю историю Человечества?  Что он хочет? Зачем ему это надо?

Наиболее наивные считают что это просто "отмывание денег". Бред!

Вы бы стали сами себя обманывать?

Комментарий администрации:  
*** Кому было надо отключать сигнализацию в Зимней Вишне? Я думаю - Путину! (с) ***
Аватар пользователя morbo
morbo(4 года 4 месяца)(19:14:18 / 28-02-2017)

Вы не ответили на вопрос: 

А термоядерные физики какое отношение имеют к БАКу?

Вы готовы пожертвовать на изучение бозона Хиггса хотя бы 1% от своей зарплаты?

Готов.

Аватар пользователя velakara
velakara(3 года 4 месяца)(07:28:00 / 28-02-2017)

Были как-то слушания в Конгрессе о финансировании одного ускорителя. К руководителю проекта был вопрос: повысит ли ускоритель обороноспособность страны. Ответ: Нет. Но тогда будет смысл эту страну защищать.

Аватар пользователя Kvazar_Old
Kvazar_Old(6 лет 1 месяц)(07:37:35 / 28-02-2017)

А чё там с прозрачностью плазмы?

Аватар пользователя qumala
qumala(5 лет 7 месяцев)(08:28:18 / 28-02-2017)

Мне не нравится их идея углеродного дивертора. Какие они будут срывы там изучать, если итер уже определились делать вольфрамовым? Нужно смотреть на физику взаимодействия разлетающегося вольфрама и центральной плазмы, чтобы понять, как будет в ИТЕРе. А так дело пустое или около  того.

По поводу единственной новой установки тоже ведь не совсем верно. В 2017 году в ИЯФе дали денег на постройку линейной квадрупольной плазменной ловушки СМОЛА.

Аватар пользователя mstislav
mstislav(5 лет 5 месяцев)(16:30:09 / 28-02-2017)

Вот на все сто уверен, если бы СССР не рухнул, у нас уже был бы термояд. А если бы Сталин прожил на 10 лет дольше, то ещё раньше. Да жаль, история не терпит сослагательного наклонения.

Комментарий администрации:  
*** Унылый борцун ***

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год