Пуск экспериментального термоядерного реактора и получение на нем первой плазмы запланирован на 2025 год. В этом проекте ученые занимаются расчетами пристеночной плазмы, а именно вопросами, как и какие примеси будут поступать в реактор, как будет перераспределяться мощность.
Британский термоядерный реактор сгенерировал первую плазму
Основная цель ученых — создать плазму с достаточно высоким значением тройного произведения синтеза: плотностью и температурой плазмы, а также временем удержания энергии, обозначающим, насколько хорошо тепловая энергия удерживается в плазме. Проще говоря, это критерии эффективности термоядерной реакции. К примеру, «зажигание» дейтерий-тритиевой плазмы требует очень высокого значения тройного произведения, которое в результате даст количество энергии, достаточное для запуска отдельной энергетической установки. Но количество выработанной энергии зависит от того, насколько стабильной будет плазма в реакторе. В обычных токамаках эффективность использования магнитного поля достаточно низкая из-за возникающей магнитной неустойчивости, что приводит к высокой стоимости электромагнитной системы. В этой ситуации необходимо искать способы увеличения стабильности плазмы. Обычные и сферические токамаки отличаются тем, что последние сильно сжаты по оси симметрии, из-за чего внутренняя камера механизма приобретает форму шара. Ученые предположили, что новый токамак позволит улучшить удержание энергии плазмы. Альтернативные разработки, к которым относятся и компактные сферические токамаки типа Глобус-М2, позволят снизить стоимость термоядерного реактора-токамака и скорее внедрить технологии управляемого термоядерного синтеза в энергетику.
Вице-президент по исследованиям и разработкам Бен Левитт отметил, что измерения были сделаны на реакторе невероятно скромного масштаба в сравнении с традиционными термоядерными аппаратами. В отличие от токамаков и стеллараторов, технология Zap не требует дорогих и сложных сверхпроводящих магнитов или мощных лазеров. Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. Волна термоядерных реакций превращает дейтериево-тритиевое топливо в высокоэнергетический гелий и нейтроны, которые можно улавливать для выработки тепла и электричества.
Что еще известно: В используемых сейчас реакторах энергия производится за счет расщепления ядер радиоактивных элементов. ITER будут использовать технологию ядерного синтеза, при которой радиация практически отсутствует. Предполагается, что плазма, выдаваемая реактором, будет самонагреваться и выдавать в 10 раз больше тепла, чем в нее заложено.
При этом образуется газ из заряженных частиц ионов и электронов — плазма.
Разогретые ионы сталкиваются друг с другом, благодаря чему выделяется энергия, превышающая затраченные на нагревание ресурсы. Этот избыток можно использовать потом в промышленности и энергетике. Однако из-за очень высокой температуры плазма не может удерживаться стенками токамака, поэтому в установке создается специальное магнитное поле, которое отделяет плазму от стенок и позволяет контролировать термоядерную реакцию. Основная цель ученых — создать плазму с достаточно высоким значением тройного произведения синтеза: плотностью и температурой плазмы, а также временем удержания энергии, обозначающим, насколько хорошо тепловая энергия удерживается в плазме. Проще говоря, это критерии эффективности термоядерной реакции. К примеру, «зажигание» дейтерий-тритиевой плазмы требует очень высокого значения тройного произведения, которое в результате даст количество энергии, достаточное для запуска отдельной энергетической установки. Но количество выработанной энергии зависит от того, насколько стабильной будет плазма в реакторе. В обычных токамаках эффективность использования магнитного поля достаточно низкая из-за возникающей магнитной неустойчивости, что приводит к высокой стоимости электромагнитной системы.
Поделись позитивом в своих соцсетях
- В России запущена уникальная плазменная установка | Новости электротехники | Элек.ру
- Компактный реактор установил рекорд по нагреву плазмы - Hi-Tech
- Подписка на дайджест
- Россия отправила во Францию катушку для получения плазмы в термоядерном реакторе
В плазменном фокусе: «Росатом» и МИФИ разработали термоядерный мини-реактор
Мы изобрели первый в мире управляемый термоядерный реактор. ST-40 — машина, которая покажет, что температуры термоядерных реакций возможны и не требуют больших затрат. Термоядерная энергия будет доступна через годы, а не через десятки лет», — сказал Дэвид Кингхэм, генеральный директор Tokamak Energy. Основной целью ST-40 является достижение температуры 15 млн градусов Цельсия к осени 2017 года, а уже к 2018 году реактор должен создавать плазму при температуре 100 млн градусов Цельсия.
Однако поскольку термоядерная плазма состоит из двух компонентов, ядер и электронов, которые отличаются по массе, они нагреваются и остывают с разной скоростью. Быстрое охлаждение электронов может воспрепятствовать нагреву плазмы. Стартап Zap Energy был основан как раз для решения проблемы преждевременного охлаждения электронов. В основу своего подхода физики положили известный Z-пинча, который вместо сложных и дорогих магнитных катушек использует для фиксации плазмы электромагнитное поле, возникающее внутри нее самой.
В самом распространенном типе реактора, который у нас в стране называется ВВЭР водо-водяной энергетический реактор , а на Западе PWR pressurized water reactor , в качестве теплоносителя используется вода. При этом в активной зоне реактора вода нагревается до 360 С — однако не закипает и не превращается в пар, поскольку находится под огромным давлением порядка 170 атмосфер. Одновременно, под влиянием порождаемой ядерным топливом радиации в воде происходит процесс радиолиза, в результате которого образуются химически активные ионы и радикалы продукты развала молекул воды. Итак, вода, окружающая топливный элемент в реакторе, нагрета до высокой температуры, находится под огромным давлением и при этом насыщена химически активными частицами. Надо ли говорить, насколько агрессивна такая среда по отношению ко всему, с чем она соприкасается? Особенно несладко приходится как раз оболочкам твэлов. Водная среда наносит ей двойной удар: кислород создает подверженный растрескиванию оксидный слой на поверхности оболочки, а водород, проникая в цирконий, делает его более хрупким, что тоже способствует развитию трещин. Из-за недостаточной коррозионной стойкости оболочки, топливо отрабатывает лишь небольшую долю своего ресурса, прежде чем твэл приходится извлекать из реактора. А повышение мощности реакторов вообще выглядит несбыточной мечтой, поскольку оно сопряжено с увеличением температуры активной зоны реактора, что неизбежно приведет к резкому ускорению коррозионных процессов в оболочках твэлов. Таким образом, перспективы развития всего направления легководных реакторов при нынешних материалах оболочек твэлов представляются туманными. Ученые всего мира начали работать над усовершенствованием материалов оболочек еще в середине XX века, и эти работы продолжаются до сих пор. Разрабатываются новые коррозионностойкие циркониевые сплавы, способные эффективнее сопротивляться агрессивному воздействию теплоносителя. Кроме того, рассматриваются различные варианты обработки поверхности циркониевых оболочек твэлов и нанесения на них защитных покрытий.
В результате получилась смесь газов, использующихся в химической промышленности, и твердые углеродные наноструктуры, которые содержат элементы, пригодные для изготовления катализаторов. Плазменный пиролиз, по мнению разработчиков, поможет сделать переработку тяжелой нефти более экономичной и экологически чистой.
НИУ МЭИ запустил одну из мощнейших в мире плазменных установок для будущего реактора ИТЭР
По сути, Plasma Liner Experiment – это реактор, включающий в себя 36 плазменных «пушек», окружающих сферическую камеру. Реактор станет одним из основных источников электроэнергии для завода по производству полипропилена, входящего в состав Уральской горно-металлургической компании. В 2021 году на японском реакторе произошло короткое замыкание в катушке сверхпроводящего магнита. Такое время считается рекордным показателем по удержанию высоко разогретого плазменного поля.
Британский термоядерный реактор сгенерировал первую плазму
Компания «АЭМ-Спецсталь» (машиностроительный дивизион Росатома) приступила к ковке партии заготовок для корпуса реактора первого энергоблока АЭС «Пакш-2». Главные сахалинские новости за день от Специалисты Национального исследовательского университета «МЭИ» запустили плазменную установку, которая позволит испытать облицовку камеры будущего термоядерного реактора.
Комментарии
- Государственная фельдъегерская служба Российской Федерации
- Выбор сделан - токамак плюс
- Вступай в наши группы и добавляй нас в друзья :)
- Выбор сделан - токамак плюс - Российская газета
- Компактный термоядерный реактор американского стартапа разогрел плазму до 37 млн °С
Во Франции стартовала последняя фаза сборки крупнейшего в мире термоядерного реактора
Он [токамак] с первого момента запустился. Сложнейшая дорогостоящая установка запустилась сразу и сейчас работает, набирает мощность и выходит на мировые параметры. Устойчиво работает», — сказал Ковальчук.
Высокая энергетическая эффективность, компактность и относительно низкая стоимость по сравнению с ядерными реакторами делают их также конкурентоспособными при производстве ряда изотопов для ядерной медицины, особенно короткоживущих. Для справки: Разрабатываемый источник на базе столкновения сгустков дейтериевой плазмы должен обеспечить получение нейтронного выхода реакции синтеза 1013 нейтронов за импульс в 2023 году.
При условии завершения реконструкции энергетической базы питания плазменных ускорителей в 2023 году, к концу 2024 года нейтронный выход планируется увеличить до 1014 нейтронов за импульс. Нейтроны — это нейтральные частицы, способные гораздо глубже проникать в материалы, чем пучки ионов или рентгеновские лучи. Одним из применений такого проникновения является трехмерное отображение напряжений, возникающих глубоко внутри достаточно крупных инженерно-технических объектов, например таких, как блоки двигателя.
В радиочастотных двигателях с магнитным соплом последнее направляет и ускоряет плазму, позволяя космическим кораблям создавать тягу. Технология, использующая электрическую тягу, демонстрирует большой потенциал для открытия новой эры космических путешествий. Однако дальнейшему развитию мешала так называемая проблема «отрыва плазмы», объясняют ученые. Иллюстрация работы плазменного двигателя с магнитным соплом. Изображение : Kazunori Takahashi, Tohoku University Поскольку силовые линии магнитного поля всегда образуют замкнутые петли, те, которые находятся внутри магнитных сопел, неизбежно возвращаются к конструкции двигателя.
По этой причине поток плазмы должен отрываться от магнитного сопла.
Так, в 1950 году А. Сахаров и И. Тамм предложили удерживать плазму в тороидальном магнитном поле, дополнительно пропуская по плазме электрический ток для её нагрева и стабилизации. Поскольку силовые линии магнитного поля являются замкнутыми, то такие системы называются закрытыми. Именно это направление сейчас является наиболее развитым.
Аналогичную идею удержания плазмы в закрытых системах высказал Лайман Спитцер в 1951 году, который предложил создавать дополнительное магнитное поле не током, протекающим по плазме, а внешними магнитными катушками достаточно сложной формы. Подобные системы называются стеллараторами от лат. По проекту первая плазма на данной установке будет получена в 2025 году, а к 2035 году токамак должен будет экспериментально продемонстрировать физическую возможность получения энергетически эффективной термоядерной реакции в квазистационарном режиме. Будкером был предложен иной способ удержания плазмы во внешнем магнитном поле такой же способ удержания, независимо от Г. Будкера, был выдвинут Р. Заряженные частицы в магнитном поле движутся по окружности, центр которой смещается вдоль силовых линий если имеется ненулевая скорость частицы в направлении вдоль силовой линии , соответственно они обладают ненулевым моментом импульса.
Как известно из курса механики, в замкнутых системах существует закон сохранения момента импульса, который проявляется в том, что если вы попытаетесь наклонить вращающееся тело, то возникнет возвращающая сила, именуемая гироскопической. Именно этот закон сохранения обеспечивает вашу устойчивость при движении на двухколёсном велосипеде. То же самое справедливо и для движущихся заряженных частиц: если происходит искривление силовой линии магнитного поля магнитное поле меняется по длине установки , то на частицу неизбежно начинает действовать сила, которая будет возвращать частицу в исходное положение, и если эта сила больше некоторого значения, то частица от такого «искривления силовой линии» отразится в противоположную сторону, как от зеркала поэтому в иностранной литературе установки, реализующие данный принцип, называются магнитными зеркалами, в русскоязычной нотации — пробкотрон. Однозначно говорить о «преимуществах» или «недостатках» одной системы над другой кажется не совсем корректно, — это две разные концепции, которые преследуют одну и ту же цель. Однако можно отметить принципиальные отличия. Во-первых, в открытых ловушках более эффективно используется магнитное поле, удерживающее плазму.
Дело в том, что давление плазмы в термоядерном реакторе уравновешивается давлением удерживающего магнитного поля. Закрытые системы устроены так, что для устойчивого удержания давление плазмы может составлять только малую долю от давления магнитного поля установки. В открытых же, наоборот, можно удерживать очень плотную плазму.
Самая грандиозная научная стройка современности. Как во Франции строят термоядерный реактор ITER
Предполагается, что плазма, выдаваемая реактором, будет самонагреваться и выдавать в 10 раз больше тепла, чем в нее заложено. Измерения температуры электронов в плазме реактора FuZe показали, что она находится на том же высоком уровне, что и температура ядер. Демонстрационный термоядерный реактор (ДЕМО) станет следующим этапом в подготовке к использованию термоядерной энергии в промышленных масштабах. • Термоядерный реактор Zap сначала вдувает газ в камеру, затем мощный импульс энергии ионизирует его в плазменную нить, проводящую сверхсильный ток. В частности, будут исследованы механизмы взаимодействия плазменных потоков и характеристики нейтронного излучения реакции DD-синтеза.