Токамаки - лидер в решении проблемы управляемого синтеза

Топливное потребление термоядерной электростанции будет чрезвычайно низко. Для производства 1 Гвт энергии требуется приблизительно 100 кг дейтерия и 3 тонны природного лития, чтобы использовать в течение целого года, производя приблизительно 7 миллиардов кВт час, без выбросов углекислого газа и других загрязнений. Получение такого же количества электроэнергии на тепловой электростанции требует приблизительно 1,5 миллиона тонн топлива и производит приблизительно 4-5 миллионов тонн CO2 [11].

Нейтроны, произведенные термоядерной реакцией, создают радиоактивность в материалах, окружающих стены контейнера и т.д. Правильный подбор материалов для этих компонентов в будущих электростанциях позволит им надежно работать без специального контроля и быть переплавленными для дальнейшего использования после 100-летней выдержки. Материалы и отходы термоядерной электростанции не будут бременем для будущих поколений.

Остановимся на целях, поставленных перед создателями реактора ИТЭР:

• достичь выделения 500 МВт термоядерной мощности при 50 МВт электрической мощности, затрачиваемой на поддержание плазмы (коэффициент усиления 10) в режиме индукционного возбуждения тока в течение 400 с;

• предпринять усилия по осуществлению режима с неиндукционным поддержанием тока в течение 3000 с при коэффициенте усиления 5;

• продемонстрировать существенные для реактора технологии;

• начать испытания материалов будущих энергетических реакторов.

Успех ИТЭРа позволит исследовать физику термоядерного горения плазмы, при котором ее нагрев продуктами реакции (а-частицами) является доминирующим. Не исключается также термоядерное горение, при котором температура плазмы -100 млн. градусов будет поддерживаться только за счет термоядерной реакции.

В вакуумной камере ИТЭРа сверхпроводящая магнитная система создает тороидальное магнитное поле напряженностью 5.3 Т и полоидальное поле, управляющее положением плазмы в камере. Секционированный центральный соленоид возбуждает индукционное электрическое поле. В качестве сверхпроводников используются Nb3Sn и NbTi. Плазма объемом 892 м3 помещается в вакуумной камере, стенки которой защищаются бланкетом, воспринимающим поток тепла. Продукты реакции, а также примеси удаляются в дивертор, где существует система дополнительной вакуумной откачки. Если потоки тепла на стенку камеры в ИТЭРе должны составлять 0.5 МВт/м3 то на диверторе из-за импульсного характера выбросов плазмы они могут достигать 10 МВт/м3 [10]. Увеличить частоту выбросов, чтобы уменьшить импульсные нагрузки на дивертор, - одна из задач физиков.

Для нагрева плазмы и поддержания тока используются пучки нейтральных атомов и микроволновое излучение. Полная проектная мощность этих систем 70 МВт. Основными источниками мощности служат гиротроны - приборы для генерации СВЧ-волн с частотой 170 ГГц. Гиротроны в настоящее время обладают мощностью около 1 МВт при коэффициенте полезного действия 50%. Они изобретены в Институте прикладной физики РАН для нагрева плазмы в токамаках Института атомной энергии, где и поныне используются. Этот уникальный по красоте и изяществу заложенных в него решений прибор имеет большие перспективы и для технологических применений.

ИТЭР - это последняя ступень перед строительством демонстрационной термоядерной станции ДЕМО. В то же время ИТЭР является исследовательской установкой, оснащенной избыточными для будущего реактора возможностями управления, нагрева, радиального распределения тока и т.д. Значительную часть его стоимости составляет исследовательский диагностический комплекс.

Как отмечалось выше, плазма токамака подвержена большому количеству неустойчивостей, турбулентна по своей природе. Хотя теория и численное моделирование процессов предсказывают или объясняют ряд основных явлений, сегодня нет возможности полностью рассчитать токамак. Ситуация аналогична той, что была в авиации в пору ее интенсивного развития. Поэтому большое значение имеют законы подобия - скейлинги, устанавливаемые из экспериментов. Современные физические исследования позволяют глубже понять явления переносов и устойчивости, что постепенно учитывается в проекте. Так, к моменту, когда началось проектирование ИТЭРа, в качестве основного рассматривался рабочий режим с ухудшенным удержанием плазмы. Хотя уже было известно, что в некоторых условиях можно иметь в 2-2.5 раза лучшее удержание, так называемый Н-режим, явление это было слишком плохо изучено и не могло тогда закладываться в проект. Через несколько лет Н-режим стал рассматриваться как основной в реакторе. Относительно недавно обнаружены внутренние тепловые барьеры, возникающие при определенном профиле плотности тока и приводящие к увеличению эффективности нагрева плазмы. Но пока эти режимы не включены в проект, поскольку процесс их формирования недостаточно изучен. Однако резерв повышает надежность проекта.

Другие статьи по теме

Расчёт теплотехнической эффективности замены барабанного холодильника на колосниковый на Паранайском цементном заводе
Наиболее распространёнными холодильниками клинкера являются рекуператорные (планетарные), колосниковые и барабанные (трубные). Известны и другие виды холодильников, но масштабы их применения в промышленности менее значитель ...

Промышленная робототехника
Промышленная робототехника является одним из новых направле­ний автоматизации производственных процессов, начало развития, которого в на­шей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный подход к ре­шению технико-эк ...