Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

ВТСП для термоядерного синтеза:проблемы, альтернативы и преимущества

2014, Tом 11, выпуск 3
Тематика: Вести с конференций

 

 

Данный обзор является продолжением предыдущего обзора по токонесущим элементам для устройств термоядерного синтеза. В нем описаны основные проблемы при разработке магнитных систем токамаков, выбор между НТСП и ВТСП токонесущими элементами, методики их исследования. К настоящему времени низкотемпературные сверхпроводники практически подошли к своему техническому пределу. Для токамаков следующего поколения, таких как DEMO или FFHR (Force-Free Helical Reactor), рассматривается возможность использования ВТСП материалов, способных работать при более высоких значениях магнитных полей и при более высоких температурах. Пока стоимость ВТСП проводников достаточно высока. Однако, за время, которое пройдет до создания DEMO, ситуация со стоимостью ВТСП может измениться к лучшему, в то же время гелий может существенно подорожать, что приведет к росту затрат на эксплуатацию магнитных систем из НТСП.

Магнитная система токамака отличается от любых других магнитов, прежде всего тем, что внутри нее должна происходить термоядерная реакция с выделением посредством излучения огромных мощностей энергии. Нейтроны, а также электромагнитное излучение (от инфракрасного до гамма диапазона) не удерживаются магнитным полем и попадают непосредственно на стенки вакуумной камеры. За все время работы DEMO ожидаемая доза нейтронного облучения может составить 3-5·1022 м-2.

Влияние нейтронной радиации на ВТСП магнитную систему токамаков описано в докладе [1]. Реакция дейтерий-тритий 2H + 3H → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) в случае DEMO будет создавать поток энергии на внутреннюю стенку в 1 МВт/м2, а также  поток быстрых нейтронов с энергией около 14 МэВ! Сверхпроводящая магнитная система находится за бланкетом (оболочкой, окружающей плазму, в которой происходят термоядерные реакции), здесь плотность энергии нейтронов в миллион раз меньше, но большинство нейтронов за счет рассеяния на материале бланкета становятся тепловыми и активно поглощаются в материале сверхпроводящей обмотки, что приводит к ее разогреву. Особенно сильно тепловые нейтроны поглощаются некоторыми изотопами гадолиния, содержащегося в ВТСП материале. Спектр нейтронов, достигающих магнитной системы токамака, приведен на Рис. 1а. На Рис. 1б показана зависимость эффективного сечения захвата нейтронов от их энергии для иттрия и изотопов гадолиния, а также изотопный состав гадолиния. Эффективное сечение захвата тепловых нейтронов гадолинием-155 и, особенно, гадолинием-157, на 5 порядков выше, чем у большинства других редкоземельных элементов, в частности, иттрия. Это свойство гадолиния применяется в экранах для защиты от тепловых нейтронов. Также при нейтронной терапии раковых больных применяется состав с гадолинием, поглощаемый опухолью.

Радиационная устойчивость ВТСП соединения на основе гадолиния, GdBCO, рассматривалась еще в 90-е годы [2], где изучалось и сравнивалось воздействие на GdBCO тепловых и быстрых нейтронов. Облучение производилось в водяном канале реактора. Часть образцов защищалась от тепловых нейтронов кадмиевыми фильтрами. Было экспериментально показано, что разрушение сверхпроводимости в облученных образцах GdBCO на тепловых нейтронах происходит в 2,5 раза интенсивнее, чем на быстрых нейтронах.

Реакция захвата теплового нейтрона гадолинием-157: 157Gd + n → 158Gd + γ происходит с выделением энергии 30 эВ на атом. Эта реакция создает не только дополнительную тепловую нагрузку, но и изменяет структуру сверхпроводника. После определенной дозы нейтронов начинается уменьшение критической температуры и наступает деградация ВТСП. На Рис. 3 приведены данные [1] по ухудшению свойств низкотемпературных и высокотемпературных токонесущих элементов с дозой облучения нейтронами, сопоставимыми с дозой за время работы DEMO.

Исследование воздействия нейтронов на конструкционные материалы реактора DEMO [3] показало, что не только сверхпроводник требует защиты. На Рис. 2 представлены спектры нейтронов в различных частях DEMO, и влияние нейтронов на конструкционные материалы.

а

б

Рис. 1 а) Спектральная плотность потока нейтронов в реакторе TRIGA, на импульсном источнике нейтронов IPNS (Intense Pulsed Neutron Source), и за бланкетом термоядерных устройств (FUSION); б) Эффективное сечение захвата нейтронов изотопами гадолиния и иттрием от энергии нейтронов, изотопный состав гадолиния [1].

а

б

Рис. 2 а) Спектры нейтронов в различных областях DEMO;

б) воздействие на конструкционные материалы реактора DEMO.

 

Разрушающее воздействие нейтронной радиации на ВТСП материал магнитов, равно как и на материалы несущих конструкций, диктует необходимость создания надежного экранирования.

Рекомендации по предотвращению радиационной деградации ВТСП могут быть следующие:

можно использовать специальные ВТСП проводники на основе изотопов гадолиния Gd-158 и Gd-160, сечение захвата нейтронов у которых лишь незначительно выше, чем у иттрия. Уже существуют относительно дешевые хроматографические, т.е. химические, методы разделения изотопов гадолиния [5], использование которых не приведет к заметному удорожанию сверхпроводника.

Рис. 3 Деградация Nb3Sn и ReBCO сверхпроводников при облучении нейтронами

 

Рассмотрим насколько критична цена проводника для ВТСП магнитов.

В качестве альтернативы использованию ВТСП в реакторе DEMO предлагается два варианта низкотемпературного (Nb3Sn) токонесущего элемента [7] (Рис. 4) с рабочим током 82 кА при 13 Тл и проточным охлаждением жидким гелием.

Рис. 4 Типы токонесущего элемента из Nb3Sn для тороидальных обмоток DEMO [7]

а) CRPP б) ENEA

 

Токонесущий элемент, предложенный CRPP (Centre Recherche Physique Plasmas, Лозанна Швейцария), наматывается после термообработки и имеет два боковых канала охлаждения, а предложенный ENEA (National agency for new technologies, Energy and sustainable economic development, Италия) токонесущий элемент термообрабатывается после намотки, и имеет один центральный канал. В остальном конструкции этих элементов похожи, ввиду близких характеристик и используемого материала. Термогидравлический анализ этих токонесущих элементов произведен в работе [8].

Помимо запаса рабочей температуры (margin), стабильности и удобства работы при 20 К существует еще один существенный аргумент в пользу ВТСП для DEMO и, особенно, для промышленных термоядерных электростанций в связи с ожидаемой [9] нехваткой гелия. Запасы гелия на Земле при постоянном росте потребности сильно ограничены. На Рис. 5 приведена сложившаяся к 2012 году структура мирового потребления гелия. На Рис. 6 приведены различные прогнозы производства и потребления гелия с учетом термоядерной энергетики. При массовом применении охлаждения жидким гелием на термоядерных электростанциях его может просто не хватить. В качестве альтернативы гелию для охлаждения ВТСП рассматриваются водород и неон (см. таблицу 1, данные за 2002 год). Очевидно, что жидкий водород эффективнее неона по цене, температуре и теплоемкости, и со временем этот факт должен превысить риски, связанные с потенциальной взрывоопасностью водорода. Культура работы с жидким водородом развивается давно, в первую очередь – в космической отрасли. Наиболее оптимальным в будущем может стать охлаждение крупных установок при помощи замкнутого контура с газообразным гелием, охлаждаемым жидким водородом через теплообменник [9].

Рис. 5. Мировое потребление гелия к 2012 году [9]

 

Рис. 6. Ожидаемое производство гелия и его ожидаемое потребление

 

Таблица 1. Характеристики криогенных жидкостей с температурой кипения <30 К [9]

Жидкость

MW

TNBP

ρL

ρV

ρG

VV/VL

VG/VL

VI

ΔHv

Цена

Q

 

 

K

Кг/м3

Кг/м3

Кг/м3

 

 

К·см3/Дж

кДж/кг

$/литр

kJ/$

He

4,003

4,2

124,9

16,9

0,178

7,4

701

117

20,3

3

0,85

H2

2,016

20,3

70,8

1,34

0,0899

52,8

788

8,9

446

0,53

59,58

Ne

20,18

27,1

1207

9,58

0,9

126

1341

2,6

85,8

173

0,60

 

Таблица 2. Сравнение цен на токонесущие элементы из ВТСП и Nb3Sn [10]

 

Материал

Ic при 77 К

в соб. поле (одиночный проводник)

Критический ток одиночного проводника в 15 Тл при 5 К

Критическая плотность тока в 15 Тл при 5 К.

Расход одиночного проводника на 1м ТНЭ

Цена материала для изготовления1м ТНЭ на 100кА*

Nb3Sn для DEMO

Nb3Sn

-

 

300 А/мм2

320 м

3500-5000

Oxford,

Bi2212

-

350A

700 A/мм2

280~500 м

5000~9000

Sumitomo

Bi2223

200 A

340 A

390 A/мм2

300 м

12000

SuNAM

ReBCO

200 A

100 A

330 A/мм2

750 м

15000

SuperPower

ReBCO

120 A

190 A

480 A/мм2

520 м

33000

Fujikura

ReBCO

250 A

250 A

310 A/мм2

400 м

40000

Цена указана в швейцарских франках.

 

В настоящее время, пожалуй, единственным преимуществом Nb3Sn перед ВТСП в перспективных токонесущих элементах для токамаков остается пока еще стоимость, которая для токонесущего элемента из Nb3Sn в несколько раз меньше. Это показано в таблице 2 [10]. Среди ВТСП материалов пока более низкая цена у ВТСП 1-го поколения, но им на пятки уже наступает корейская корпорация SuNAM (Superconductor Nano Advanced Materials Corporation) со 2-м поколением ВТСП, поскольку ей удалось относительно недорого изготовлять ленту с достаточно высокими характеристиками.

Рассмотрим цену перехода на ВТСП в масштабе крупного токамака. Общая стоимость проекта ITER оценивается приблизительно в 20 миллиардов евро. Длина токонесущего элемента в обмотках ITER – около 200 км из них ~140 км в тороидальных катушках и центральном соленоиде. В расчете на крупный токамак разницу в цене между ВТСП и НТСП токонесущими элементами можно оценить примерно в 10000 $ за метр токонесущего элемента, т.е. около 2 миллиардов долларов на всю магнитную систему ITER. Это на порядок меньше стоимости всего проекта в целом – много, но не катастрофично, особенно учитывая, что для токонесущих элементов DEMO разница в цене будет еще меньше. Тем более что, за десять лет цена ВТСП за килоампер-метр может существенно снизиться.

Промышленные термоядерные электростанции – устройства относительно далекой перспективы. Существует еще класс проектируемых термоядерных устройств, называемых гибридеры, которые можно начать использовать гораздо раньше. Они вырабатывают энергию в результате ядерной реакции, происходящей в бланкете. Термоядерная реакция происходит без выработки энергии, она служит источником нейтронов для поддержания ядерной реакции. В настоящее время в России проектируется термоядерный источник нейтронов, предполагается, что ток тороидальных обмоток должен составлять 20 кА в магнитном поле около 12 Тл, при довольно жестких требованиях к габаритам магнитной системы. Существует большая вероятность, что для гибридера будет выбран токонесущий элемент из ВТСП.

Для разработки сильноточных токонесущих элементов магнитных систем термоядерных установок имеют большое значение исследования образцов токонесущих элементов. В настоящее время в CRPP функционирует измерительный стенд SULTAN (по-немецки SUpraLeiterTestANlage), позволяющий производить испытания коротких образцов токонесущих элементов с током до 100 кА, в магнитном поле до 11 Тл при проточном охлаждении [11]. SULTAN использовался для испытаний токонесущих элементов для ITER, а также немецкого стелларатора W7X, китайского EAST и японского JT60SA токамаков. В 2013 году в CRPP запущен еще один измерительный стенд - EDIPO (European DIPOle) на основе диполя с магнитной индукцией в 12,5 Тл. EDIPO позволяет в перспективе проводить исследования в температурном диапазоне 20-50 К. Внешний вид и устройство комплексов EDIPO и SULTAN представлены на рисунке 7.

Рис. 7. Испытательные стенды SULTAN и EDIPO.

 

Подробно стенды для испытания сильноточных СП проводников будут рассмотрены в следующем выпуске бюллетеня.

 

 

1. M. Eisterer HTS4Fusion Conductor Workshop // High fluence neutron irradiation of coated conductors. — Villigen, Switzerland, 2014.

2. С.В, Белогуров, А.Е. Петров, А.Н. Карпов, И.В. Кудреницкис, В.Н. Ковалев, Е.Н. Куркин, А.А. Маклецов, Ю.Г. Морозов, М.Д. Нерсесян М.М. Брезгунов Воздействие тепловых нейтронов на магнитные и структурные свойства GdBa2Cu3O7-δ // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. №3, Выпуск 5, 1990, c. 122-126.

3. R. Vila, C. Ortiz, A. Garcia, N. Casal, A. Ibarra, D. Rapisarda, V. Queral F. Mota Analysis of displacement damage in materials in nuclear fusion facilities (DEMO, // Fusion Engeneering and Design, №86, 2011, c. 2425-2428.

4. Miklos Porkolab et.al. Second HTS4Fusion Conductor Workshop // Innovation is Key from ITER to DEMO. — Villigen, Switzerland, 2014.

5. Томас С. СНАЙДЕР (US), Стивен Х. ПЕТЕРСОН (US), Умеш П. НАЙЯК (US), "Непрерывное стационарное хроматографическое разделение изотопов гадолиния," B01D59/30, G01N30/96 2167698, май 27, 2001.

6. Roberto Bonifetto, Umberto Bottero, Arnaud Foussat, Neil Mitchell,Kazutaka Seo, Roberto Zanino Laura Savoldi Richard Analysis of the Effects of the Nuclear Heat Load on the ITER TF Magnets Temperature Margin // IEEE Transactions On Applied Superconductivity Vol. 24, No 3, June 2014. c. 4200104.

7. K. Sedlàk, B. Stepanov, L. Muzzi, S. Turtù, A. Anemona, J. Harman P. Bruzzone Design of Large Size, Force Flow Superconductors for DEMO TF Coils // IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 24, No 3, June 2014

8. Kamil Sedlak Monika Lewandowska Thermal-Hydraulic Analysis of LTS Cables for the DEMO TF Coil // IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol.24, No 3, June 2014, c. 4200305.

9. William J. Nuttall, Richard H. Clarke Bartek A. Glowacki Beyond the Helium Conundrum // IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol.23, No 3, June 2013.

10. N. Bykovsky, R. Wesche, P. Bruzzone D. Uglietti Second HTS4Fusion Conductor Workshop // High current HTS conductor development at CRPP. — Villigen, Switzerland, 2014.

11. R. Wesche et.al. Second HTS4Fusion Conductor Workshop // SULTAN and EDIPO Test Facilities. — Villigen, Switzerland, 2014.

 

М.С.Новиков

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.