ВТСП для термоядерного синтеза: предложения, проекты, реализации

2014, Tом 11, выпуск 2

Тематика: Вести с конференций

Работы по термоядерному синтезу в плазме, удерживаемой магнитным полем (токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки), ведутся с 50-х годов прошлого века. Несколько государств – СССР, США, Япония, Германия, Великобритания, Франция, Китай, Индия – создали за это время экспериментальные термоядерные реакторы или создают их в настоящее время.

Масштабы и стоимость термоядерных устройств постоянно возрастают, увеличиваются объем вакуумной камеры с плазмой и величина магнитного поля. Рабочий объем токамаков растет, так как энергия плазмы и плотность ее излучения увеличиваются, площадь дивертора по причине борьбы с перегревом также возрастет. Увеличение магнитного поля токамака дает выигрыш сразу по нескольким параметрам [1]:

- плотность энергии, выделяемой в ходе термоядерной реакции, P~β²B_T⁴ – растет как четвертая степень магнитной  индукции;

- максимальный ток плазмы I_p ~ B пропорционален величине магнитного поля;

- максимальное давление плазмы p ~ B² пропорционально квадрату магнитной индукции;

- максимальная плотность плазмы n_e ~ I_p ~ B пропорциональна магнитному полю;

Для всех термоядерных установок важнейшим параметром является соотношение выделившейся и затраченной энергии Q:

- на некоторых существующих установках был достигнут режим равновесия с Q > 1 - выделенная в ходе реакции энергия больше, чем затраченная на нагрев плазмы,;

- на ITER с исследовательскими целями планируется режим с Q > 5 - “пылающая” плазма, термоядерная реакция поддерживается, в основном, за счет нагрева альфа-частицами;

- необходимое условие для работы термоядерных электростанций - режим с Q более 30 - зажигание и последующая самоподдерживающаяся реакция, что планируется достичь на демонстрационном реакторе DEMO.

Почти сразу выяснилось, что необходимые для токамаков магнитные поля экономически выгоднее получить при помощи сверхпроводниковых магнитов. К концу прошлого века стало ясно, что устройства масштаба ITER, способные достичь рабочих режимом с Q > 5 или более, слишком дороги для любой отдельной страны и построить их под силу лишь в тесном международном сотрудничестве.

ВТСП токонесущие элементы

В настоящее время для магнитных систем перспективных устройств термоядерного синтеза повсеместно предлагается использовать ВТСП проводники и токонесущие элементы на их основе. 23-24 января 2014 года в г. Виллиген в Швейцарии состоялось рабочее совещание “ВТСП для термоядерного синтеза” (HTS4Fusion Conductor Workshop). В данном обзоре рассмотрены представленные на этом совещании работы по токонесущим элементам для магнитных систем из ВТСП проводников.

Рис. 1. Магнитная система DEMO [3].

Интересно предложение Minervini J.V. по международному сотрудничеству в создании ВТСП токамаков [2], объединению усилий научных организаций разных стран, разработке программы создания и исследования ВТСП токонесущих элементов, их соединений и модельных обмоток. В качестве начального списка участников он предлагает Комплекс SULTAN/EDIPO Центра исследования физики плазмы, CRPP, Швейцария; Измерительный комплекс FBI Интститута технологии в Карлсруэ, Германия; Японское агентство по атомной энергии, JAEA; Национальную лабораторию высоких магнитных полей Университета Флориды, США; университет Твенте, Нидерланды и другие организации. Также предлагается включить секцию «ВТСП для термоядерного синтеза» в программу конференций ASC (Applied Superconductivity).

Ближайшими устройствами термоядерного синтеза, в которых планируется изготовить сверхпроводящие магнитные системы из ВТСП, станут реакторы DEMO и FFHR (Force-Free Helical Reactor).

Вариант конструкции тороидальных катушек для DEMO представлен на Рис. 1 [3]. Показаны тороидальные обмотки TF, полоидальные катушки PF и центральный соленоид CS. В таблице 1 указаны параметры двух предлагаемых типов токонесущего элемента для тороидальных обмоток – ниобий-оловянного и ВТСП 2-го поколения.

Таблица 1. Сравнение параметров НТСП и ВТСП токонесущих элементов для DEMO [3]. 

Из приведенных параметров хотелось бы, прежде всего, обратить внимание на величину запаса по температуре, который у ВТСП проводника в несколько раз выше.

Для промышленных термоядерных реакторов и их прототипов предлагаются различные варианты сборно-разборных тороидальных катушек – с целью удобства, как монтажа, так и замены частей дивертора, бланкета, и других, изнашивающихся в процессе длительной работы узлов (Рис. 2).

Рис. 2. Разработанные в MIT варианты конструкции разборных тороидальных катушек: а) проект Vulcan б) проект Alcator ARC; [1].

Сборно-разборным катушкам реактора класса Aries-I посвящена работа [4], где рассматриваются механические и электрические соединения разборных тороидальных обмоток. Параметры тороидальной магнитной системы реактора: максимальное поле на обмотке – 20 Тл, минимальное – 11 Тл, радиус - 6,75 м, ток – 24 МА-витков, рабочая температура - 20 К. Токонесущие элементы на 70 кА. Все 350 витков, электрически соединяются метровыми терминалами раздельно, а механически – вместе. Распределение механических напряжений в тороидальной катушке, а также схема электрического соединения ВТСП токонесущих элементов показаны на Рис. 3.

Рис. 3. а - Механические напряжения в разборной тороидальной катушке; б - конструкция “расчесочного типа” (comb) соединения токонесущих элементов [4].

Также в работе [4] рассматриваются электрические потери в соединениях с механической конструкцией креплений. Предполагается, что потери в одном соединении составляют 5 Вт, то есть тепловыделения во всем токамаке составят 112 кВт.

Концепция японского реактора FFHR c геликоидальной магнитной системой [5] включает токонесущий элемент из ВТСП на 100 кА. Проектные параметры FFHR, в сравнении с уже построенной установкой LHD (large helical device) представлены в таблице 2. На Рис. 4 показана конфигурация плазменного шнура и магнитной системы.

Рис. 4. Конфигурация плазменного шнура и магнитной системы FFHR [5].

Таблица 2. Параметры геликоидальных магнитных системFFRH и LHD. 

Конструкция токонесущего элемента из YBCO лент для японской установки FFHR приведена на Рис. 5, его параметры – в таблице 3.

Рис. 5. Концепция токонесущего элемента на 100 кА из YBCO лент 15 мм ширины с током при 77К >900 А/см [5].

Таблица 3 Параметры токонесущего элемента из YBCO лент для FFHR. 

Следует отметить, что магнитную систему делает надежной более высокая рабочая температура - 20 К и увеличенный запас по температуре в 10 К. На Рис. 6 приведены схема соединений и структура обмоток для сборной магнитной системы FFHR. Скорее всего, будет использовано неразборное механическое соединение (сварка), и, вероятно, электрический контакт (пайки, а не механический прижим). Для работающего в стационарном режиме реактора FFHR вполне допустимо использование не транспонированных ВТСП токонесущих элементов.

Рис. 6. а - Соединение между элементами FFHR; б - Конструкция сборной обмотки [5].

Рассмотрим различные конструкции сильноточных ВТСП токонесущих элементов, пригодных не только для стационарного, но и для импульсного режима, благодаря частичному транспонированию ВТСП лент, или собранных из них пакетов.

Прежде всего, это CORC (conductor on round core) токонесущие элементы, которые можно применять для токамаков, если их соединять параллельно [6].

Токонесущие элементы типа CORC (Рис. 7) были впервые предложены ван дер Ланом еще в 2009 году. Они представляют собой до нескольких десятков ВТСП лент, геликоидально намотанных в несколько слоев на круглый формер. Такие токонесущие элементы отличаются высокими значениями токонесущей способности, механической, тепловой и электрической стабильностью, пониженными по сравнению со стопкой параллельных ВТСП лент потерями на переменном токе.

Аналогичная конструкция ВТСП токонесущего элемента разрабатывается в Комплексе сверхпроводимости Курчатовского института с 2011 г. по настоящее время.

В последнее время ван дер Лан и его коллеги предприняли следующие исследования и разработки в области токонесущих элементов для устройств термоядерного синтеза [6]:

- разработку параллельного соединения нескольких токонесущих элементов (Рис. 8);

- исследование механических свойств токонесущих элементов типа CORC, в том числе при поперечном сжатии (Рис. 9);

- разработку спаев и токовых терминалов, в том числе для сборной обмотки (Рис. 10);

- подготовку производства длинных кусков токонесущего элемента (до 100 метров) – создание автоматического намоточного устройства (Рис. 11) – до того все образцы наматывались вручную (включая 80-ленточный и шестиметровый 20-ленточный);

- эксперименты с различными формерами, в том числе полым формером с проточным охлаждением.

Рис. 7. а - образец из 52 лент, 17 слоев, Æ7,5 мм,

б - результат испытания в поле 19 Тл [6].

Рис. 8. Конструкции токонесущих элементов на основе CORC [6]:

а - образец из трех скрученных друг с другом кабелей на 5 кА (19 Тл 4,2 К);

б - Схема токонесущего элемента из 6 CORC кабелей с проточным охлаждением через полый формер.

Рис. 9. Исследование токонесущей способности CORC при поперечном сжатии:

а – установка, б - результаты [6].

Рис. 10. Варианты конструкций терминалов и соединений,

в том числе для разборной тороидальной магнитной системы [6].

Рис. 11. Устройство для скрутки токонесущих элементов типа CORC длиной до 100 м [6].

Аналогичное устройство, способное одновременно скручивать до 16 ВТСП лент в два слоя, разработано в Курчатовском институте и находится в стадии пуско-наладки.

Еще одной перспективной конструкцией ВТСП токонесущего элемента является скрученная стопка сверхпроводящих лент (см. Рис. 12) [7], Массачусетский технологический институт. На Рис. 13 показаны некоторые конструкции обмоток магнитов.

Рис. 12. Скрученная стопка ВТСП лент, без пропайки [7].

Рис. 13. Некоторые способы намотки магнитных систем стопкой ВТСП лент [7].

На Рис. 14 представлены некоторые из возможных вариантов токонесущего элемента для термоядерных устройств из стопок ВТСП лент: три стопки на формере со спиральными канавками, 12 стопок, каждая из которых помещена в круглую оболочку.

Рис. 14. Примеры токонесущих элементов для токамаков [7] а) Три стопки ВТСП лент в спиральных канавках формера, б) 12 стопок ВТСП лент помещены в круглые оболочки и скручены друг с другом.

В докладе ENEA (Italian National agency for new technologies, Energy and sustainable economic development) [8] описана аналогичная конструкция – не скрученные стопки ВТСП лент помещены в спиральные пазы в формере (Рис. 15).

Алюминиевый формер с пятью спиральными канавками для стопок ВТСП лент и центральным охлаждающим каналом изготавливается путем экструзии на специально разработанной установке. Сборка ВТСП лент в стопки по 30 штук и их укладка в пазы формера, также осуществляется при помощи специально разработанного устройства. На Рис. 16 показан макет токонесущего элемента 10 кА класса. Шаг скрутки - 160 мм.

Рис. 15. Конструкция токонесущего элемента [8].

Рис. 16. Макет токонесущего элемента 10 кА класса [8].

Итак, наиболее удачными токонесущими элементами для перспективных устройств термоядерного синтеза признаны стопки ВТСП лент, как скрученные, так и не скрученные, а также токонесущие элементы типа CORC. Во второй части обзора будет рассказано о проблемах использования ВТСП в токамаках и их преимуществах для исследований в этой области, а также о возможных альтернативах.

1. M. Porkolab et.al., Second HTS4Fusion Conductor Workshop // Innovation is Key from ITER to DEMO — Villigen, Switzerland, (2014).

2. M. Porkolab, L. Bromberg, J.V. Minervini, Second HTS4Fusion Conductor Workshop // A Proposal to Establish an International Collaboration for Developing High Magnetic Field HTS for Fusion Reactors. — Villigen, Switzerland, (2014).

3. C. Bayer, K.-P. Weiss, W. Fietz, R. Heller, V. Gade, Second HTS4Fusion Conductor Workshop // Conceptual design of an HTS TF coil for DEMO. — Villigen, Switzerland, (2014).

4. M. Takayasu, J.V. Minervini, F.J. Mangiarotti, Second HTS4Fusion Conductor Workshop // Advances on the design of demountable TF coils with REBCO superconductors for a Aries-I class Fusion Reactor. — Villigen, Switzerland, (2014).

5. N. YANAGI, H. HASHIZUME, A. SAGARA, Satoshi ITO Second HTS4Fusion Conductor Workshop // Development of a 100-kA-class HTS conductor and its mechanical joint for the helical fusion reactor. — Villigen, Switzerland, (2014).

6. Danko van der Laan et.al., Second HTS4Fusion Conductor Workshop // Development of HTS Conductor on Round Core (CORC) cables for fusion applications at Advanced Conductor Technologies. — Villigen, Switzerland, (2014).

7. M. Takayasu et.al., 2nd HTS4Fusion Conductor Workshop // REBCO Twisted Stacked-Tape Cable (TSTC). — Villigen, Switzerland, (2014).

8. G. CELENTANO et.al., HTS4Fusion Conductor Workshop // Recent developments of the ENEA HTS cable-in-conduit conductor with dual channel. — Villigen, (2014).

М.С.Новиков