Управляемый термоядерный синтез

[Space books]

https://naked-science.ru/article/physics/kitajskij-tokamak-ustanovil-novyj-mirovoj-rekord-po-vremeni-uderzhaniya-plazmy

Китайский токамак установил новый мировой рекорд по времени удержания плазмы
 
В пятницу, 28 мая, на токамаке EAST прошел эксперимент, результаты которого крайне важны для мировой термоядерной энергетики. «Китайское рукотворное солнце» разогрело плазму до температуры почти в семь раз выше, чем в недрах природного светила, и удерживало ее на протяжении более чем полутора минут.
 

Вакуумная камера EAST, вид снаружи / ©Xinhua
Как пишет официальное китайское новостное агентство Синьхуа, максимальная электронная температура (средняя энергия электронов) плазмы достигла 160 миллионов градусов Цельсия. Такие параметры жгута ионизированного газа токамак удерживал 20 секунд. А при 120 миллионах градусов установка проработала 101 секунду.
Китайский экспериментальный термоядерный реактор EAST превзошел предыдущий рекорд длительности более чем в пять раз. Напомним, его установили корейские физики на токамаке KSTAR: они смогли удержать плазму температурой в 100 миллионов градусов на протяжении 20 секунд.


Потрясающих результатов удалось добиться специалистам Института физики плазмы Китайской академии наук (ASIPP). Подробности своего достижения они, судя по всему, опубликуют в рецензируемом журнале, а пока поделились успехом в формате пресс-релиза. Так что детали остаются под завесой тайны. Известно лишь, что на подготовку к эксперименту ушел год непрерывной работы. В конструкцию токамака EAST, расположенного в городском округе Хэфей, внесли множество изменений, позволивших улучшить показатели стабильности плазмы.
Китайский экспериментальный продвинутый сверхпроводящий токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) — важный элемент международной кооперации в проекте создания экспериментального термоядерного реактора (ITER). Он представляет собой одну из немногих в мире подобных установок с полностью сверхпроводящей магнитной системой, которую создали на основе ниобий-титановых проводников. На EAST ведутся исследования как можно более долгого удержания высокотемпературной плазмы для технологий термоядерного синтеза.

Вакуумная камера EAST изнутри полностью облицована металлическими плитками. Ее малый радиус — 40 сантиметров, а большой — 1,7 метра. Внизу камеры установили вольфрамовый дивертор, охлаждаемый водой. Максимальная интенсивность тороидального магнитного поля установки достигает 3,5 тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли колеблется между 25-65 микротесла, а установки для МРТ — 0,5-1,5 тесла (существуют экспериментальные приборы мощностью до 10,5 тесла). Во время рекордного эксперимента сила тока в плазме превысила 500 килоампер.
Что интересно, этот токамак разработали на базе установки H-7, созданной китайскими физиками в 1990-х при непосредственном участии российских специалистов. Налицо радикальный прогресс технологий Поднебесной: на сегодня EAST — один из самых продвинутых и во многом уникальных реакторов такого типа в мире. Именно полученные во время последнего эксперимента данные могут сыграть ключевую роль в обеспечении работоспособности ITER.
Несмотря на впечатляющие достижения китайских физиков и их коллег по всему свету, даже 120 миллионов градусов на протяжении полутора минут, скорее всего, будет недостаточно для промышленного термоядерного реактора. На ITER, сборка которого наконец-то началась прошлым летом, планируют «зажечь» плазму на 150 миллионов кельвинов и удерживать не менее 400 секунд. А это тоже экспериментальная установка — первый прототип энергетически эффективного реактора создадут только к середине XXI века. Остается завидовать Солнцу, в недрах которого благодаря уникальным условиям (в том числе колоссальному давлению) термоядерные реакции прекрасно протекают при «всего» 12-14 миллионах градусов.

[nonconvex]

Внизу камеры установили вольфрамовый дивертор, охлаждаемый водой.

Интересно, если вольфрам - то почему водой? Жидким металлом было бы разумнее.

[oby1]

прокачивать жидкий металл проще!? а между экспериментами как очищать запорную арматуру? а каким металлом, уточните?

[nonconvex]

прокачивать жидкий металл проще!? а между экспериментами как очищать запорную арматуру? а каким металлом, уточните?

литий, натрий, свинец.. вариантов много. Вода кипит при 100, а металл можно и до 1К гонять в жидком виде.

[oby1]

то есть каждый раз разогревать металл, очищать как то арматуру от застывшего металла? может не создавать трудностей на ровном месте, раз воды достаточно?

[nonconvex]

может не создавать трудностей на ровном месте, раз воды достаточно?

тогда зачем там вольфрам? Меди хватит.

[oby1]

значит  не успевает медь остывать на краях, а вольфрамм держит температуру

[nonconvex]

то есть каждый раз разогревать металл, очищать как то арматуру от застывшего металла? может не создавать трудностей на ровном месте, раз воды достаточно?

Достаточно предусмотреть дополнительный разогрев, градусов до 300, не бином.

[oby1]

а прокачивать жидкий металл как?

[DiZed]

у всех металлов удельная объемная теплоемкость ниже чем у воды в несколько раз. с учетом того что уже при 10 атм. воду можно греть до 180 - игры с жидкими металлами ничего кроме усложнения конструкции и проблем в эксплуатации не дадут

[cross-track]

Вики про дивертор

В ядерной физике дивертор — специальное устройство в термоядерном реакторе типов токамак или стелларатор, служащее для удаления внешних слоев плазменного шнура. Часть частиц со стенок вакуумной камеры неизбежно попадают в шнур. Это нежелательно по двум причинам:

1. Плазма охлаждается за счет излучения примесей.
2. Стенка реактора перегревается за счет дополнительного излучения.

Благодаря дивертору эти примеси удаляются из периферии плазмы. Они не успевают проникнуть в центр плазменного шнура и охладить его. Однако использование дивертора связано с большими технологическими трудностями.
Материал пластин дивертора не должен легко распыляться, чтобы не загрязнить плазму.

В ракетно-космической технике дивертор — устройство молниезащиты, представляющее собой отдельно стоящую мачту с размещёнными на ней молниеприёмником, токопроводом и заземляющим устройством.

В сантехнике дивертор — устройство, которым комплектуются смесители. Он представляет собой переключатель, заставляющий течь воду по той или иной трубе[1].

[telekast]

прокачивать жидкий металл проще!? а между экспериментами как очищать запорную арматуру? а каким металлом, уточните?

литий, натрий, свинец.. вариантов много. Вода кипит при 100, а металл можно и до 1К гонять в жидком виде.

Если охлаждать испарением, то воды там по брови,ьа сама система проще, чем жидкометаллическая. Я бы сделал так: нагнетающий вентилятор после него распылитель воды, на выходе откачивающий вентилятор, далее по вкусу, градирни, конденсаторы и пр. Технологии прошлого века, а тепло отбирается в аццких количествах.

[vlad7308]

прокачивать жидкий металл проще!? а между экспериментами как очищать запорную арматуру? а каким металлом, уточните?

литий, натрий, свинец.. вариантов много. Вода кипит при 100, а металл можно и до 1К гонять в жидком виде.

Если охлаждать испарением, то воды там по брови,ьа сама система проще, чем жидкометаллическая. Я бы сделал так: нагнетающий вентилятор после него распылитель воды, на выходе откачивающий вентилятор, далее по вкусу, градирни, конденсаторы и пр. Технологии прошлого века, а тепло отбирается в аццких количествах.

парогенератор называется

[telekast]

прокачивать жидкий металл проще!? а между экспериментами как очищать запорную арматуру? а каким металлом, уточните?

литий, натрий, свинец.. вариантов много. Вода кипит при 100, а металл можно и до 1К гонять в жидком виде.

Если охлаждать испарением, то воды там по брови,ьа сама система проще, чем жидкометаллическая. Я бы сделал так: нагнетающий вентилятор после него распылитель воды, на выходе откачивающий вентилятор, далее по вкусу, градирни, конденсаторы и пр. Технологии прошлого века, а тепло отбирается в аццких количествах.

парогенератор называется

Ну, применительно к охлаждению, нагреву, переносу тепла - тепловая труба. Ей лет двести.

[pkl]

Погуглил. Похоже речь идёт о конфигурации дивертора, которая позволяет снизить удельную нагрузку на пластины дивертора. Это действительно серьёзная проблема. Всё остальное в статье - бессмыссленный мусор.

Ну да, там, похоже, они что-то придумали с дивертором. Но насколько значимо их достижение, насколько это важно или британские учёные немного преувеличивают? Т.е. это прорыв или так, мелкий шажок?

[Chilik]

Ну да, там, похоже, они что-то придумали с дивертором. Но насколько значимо их достижение, насколько это важно или британские учёные немного преувеличивают? Т.е. это прорыв или так, мелкий шажок?

Придумали точно не они, есть статьи по теме 12-летней давности.
Идеи достаточно очевидные. Но их нужно реализовать в железе и показать, что это работает. Они не побоялись это заложить в проект модернизации установки. Это уже не совсем чистая наука, это скорее инженерия, где за каждый процент характеристик нужно рвать жилы. Если всё получится - то и молодцы.

Был ещё разговор про воду. Там основная проблема - как снимать большие потоки тепла. В принципе можно, но как конкретно? Большие размеры установок, маленькие каналы охлаждения в элементах дивертора. Чтобы обеспечить теплоотвод и нужную скорость протока воды, на ИТЭР делают турбулентный поток и 43 атм. паспортного давления. Температура воды по проекту за проход растёт со 100 до 150 градусов. И никакого кипения, пузырьков, испарения и прочей умноты - это сразу быстрая коррозия. Запрещено.

С жидкими металлами там несколько проблем. Во-первых, просто эксплуатационный геморрой непонятно зачем. Вода и водяное оборудование хорошо понятны. Во-вторых, есть проблемы с нейтронами и далеко не всё можно в горячую зону пихать, а то, что можно, должно быть очень хорошо очищено. Это совсем дорого. В-третьих, там же магнитное поле 5 Тл на оси, а на внутренней "ноге" дивертора ещё выше. Быстрая прокачка проводящей жидкости в сильном магнитном поле - так себе идея. Ну и плюс есть проблемы с химической совместимостью и коррозией. Этим печально известен литий.

[opinion]

может не создавать трудностей на ровном месте, раз воды достаточно?

тогда зачем там вольфрам? Меди хватит.

Медь сильнее распыляется, попадает в плазму и уносит тепло излучением. Вольфрам хоть и тяжелый (а радиационные потери пропорциональны заряду ядра), но предполагается, что он будет слабо распыляться. В новой инкарнации Т-15, как тут писали, решили использовать графит. Какой вариант лучше покажет только практика. Промоделировать (как теоретически, так и экспериментально) поведение материалов при тех потоках частиц и энергии, которые ожидаются на диверторных пластинах полноценного реактора очень сложно.

[oby1]

мы в электроэрозии в электродах применяем либо вольфраммистую медь, либо графит - важна температура плавления и испарения - от этого зависит стойкость инструмента

[nonconvex]

В-третьих, там же магнитное поле 5 Тл на оси, а на внутренней "ноге" дивертора ещё выше. Быстрая прокачка проводящей жидкости в сильном магнитном поле - так себе идея.

Вот тут да, согласен.

[Chilik]

... радиационные потери пропорциональны заряду ядра...

Немного сложнее.
Во-первых, не заряду ядра, а заряду иона. Только лёгкие элементы в термоядерной плазме полностью теряются все электроны, у тяжёлых какие-то внутренние электроны ещё остаются.
Во-вторых, с зависимостью там сложнее. Есть три механизма, по которым идёт излучение: тормозное, рекомбинационное и линейчатое. Если задротствовать, то это свободно-свободные, свободно-связанные и связанно-связанные переходы. Излучают электроны, ионы слишком тяжёлые.
По тормозному излучению зависимость - как квадрат заряда ядра. Это легко понять, там движение электрона вблизи иона можно рассматривать как изменяющийся диполь, а в дипольное излучение входит квадрат ускорения. А сила пропорциональна произведению зарядов частиц.
Рекомбинационной излучение - это четвёртая степень от заряда, но там всё непросто (завязано на атомные уровни конкретного элемента) и в более-менее горячей плазме светят только тяжёлые элементы, у лёгких мало шансов рекомбинировать.
Но самая проблема в том, что обычно мощность радиационных потерь определяется линейчатым излучением. А оно у всех (кроме разве что водорода) крайне хитрым и немонотонным образом зависит от температуры. При больших температурах тяжёлые примеси особо опасны, а при низких бывают ситуации, когда и лёгкие являются проблемой.
Просто картинка из гуглопоиска, расчёты излучения из будущего реактора ДЕМО:


P.S. Чтобы мощность из единицы объёма получить, нужно ещё умножить на полную концентрацию электронов и на концентрацию ионов примеси конкретного элемента.