Крупнейший в мире токамак JET после 18 месяцев подготовки и ремонта восстанавливает работу с целью начать в следующем году запуски с дейтерий-тритиевой плазмой, т.е. реальные термоядерные запуски. Подобные эксперименты не проводились на токамаках с середины 90х годов и пришло время накопившиеся новые идеи проверить экспериментально.
Композиционное изображение вакуумной камеры токамака JET (диаметром около 8 метров) и плазмы во время экспериментов.
Именно здесь, на JET в 1997 году был поставлен рекорд мощности термоядерной реакции для магнитных ловушек — 16 мегаватт в течении примерно 100 миллисекунд. Длительность тогда, впрочем, ограничивалась длительностью работы системы инжекции нейтралов, отвечающей за внешний нагрев плазмы. Сегодня эти ограничения гораздо мягче, поэтому есть планы продержать 16-мегаваттное горение в течении ~5 секунд. Опять же, дольше нельзя, т.к. есть определенный лимит на общее облучение конструкции вакуумной камеры термоядерными нейтронами.
Профили рекордных по мощности термоядерных экспериментов и планируемое будущее
Важным изменением по сравнению с 1997 стал перевод реактора на полностью металлическую облицовку — исчезли углепластиковые и графитовые элементы. Последние в свое время помогли снизить загрязнение плазмы материалами с высокими атомными номерами и пройти так называемый “радиационный барьер” на пути к термоядерным температурам. Однако, со временем стало понятно, что металлическая стенка с точки зрения эксплуатации все же лучше — меньше пыли, меньше “застревающего” в конструкции трития. Особенно это все касается дивертора — элемента, на который идет «слив» плазмы для отвода тепла и загрязнений из региона термоядерной реакции.
Элемент дивертора ИТЭР, недавно изготовленный Европой — облицовка из вольфрамовых блоков и активное охлаждение. На прямую часть приходится (под острым углом) поток плазмы мощностью 5-10 мегаватт/м^2
Кроме взаимодействия трития с перспективной (запланированной и на ИТЭР) полнометаллической стенкой, будут также проверены решения по подавлению ELM-неустойчивостей с помощью специальных пушек, стреляющих замороженными дробинками из DT-смеси, ну и множество идей токамачников по поведению плазмы.
В ходе “экспериментальной DT кампании №2 — DTE-2” также, впервые в истории, планируются плазменные эксперименты на чистом тритии. Поскольку отношение масса/заряд у трития в полтора раза больше, чем у дейтерия, на множестве явлений, чувствительных к этому отношению, можно будет сравнить моделирование и эксперимент.
По планам ближайшие несколько месяцев произойдет пуско-наладка машины, а затем примерно 5-месячная калибровочная серия физических экспериментов на дейтерии. После примерно 1-месячной проверки атомным надзором Великобритании готовности всех систем к работе с тритием начнется 3-х месячная физическая TT программа. Далее последуют дополнительные тренировки по безопасности, еще одна приемка, и наконец — сама четырехмесячная DTE-2.
Самый первый запуск JET после перерыва на водородной плазме. Замедленно в 40 раз.
Долгий и сложный заход в эту программу экспериментов связан как с неприятностью самого трития, так и с наведенной радиоактивностью в результате термоядерной реакции.
Тритий — легколетучий, как любой водород, пожароопасный и крайне радиоактивный газ. Для работы с ним приходится все оборудование устанавливать в герметичные перчаточные ящики, трубопроводы окружать герметичными вторыми оболочками, здание оборудовать системой понижения давления (чтобы снизить вероятность утечки наружу) и уменьшения содержания кислорода (для предотвращения пожаров, которые будут ночным кошмаром в случае трития). Всего на площадке может находится не больше 20 грамм трития, хранимого в виде гидрида(трейтида?) урана, и выдаваемого в систему нагревов. Но сожжено во всех экспериментах будет всего порядка 1 миллиграмма. Такая большая разница между “складом” и потребностями объясняется тем, что при проходе через плазму сгорает очень небольшая доля трития, а остальное, к сожалению загрязняется дейтерием и протием, после чего смесь надо отправлять на разделение изотопов — а этой системы на площадке JET нет.
Расчетные значения мощности дозы (радиоактивности) внутри вакуумной камеры JET в результате термоядерной активации. Впрочем, подобная активация довольно быстро спадает на 2-3 порядка.
Второй важнейшей инженерной задачей здесь (и в будущем — на ИТЭР) станет работа с активированной конструкцией. В конце DTE-2 радиационный фон в центре вакуумной камеры достигнет 80 мЗв/ч (8 рентген в час), поэтому для работы внутри будет применятся телеуправляемая робототехника. В ходе подготовки на ней уже тренировались в замене плиток, установке новых, установке различных датчиков и т.п.
Телеуправляемый робот внутри JET. Его использовали в ходе демонтажа активированных элементов после DTE-1.
Наконец, надо упомянуть еще одну «модную» идею — жидколитиевые стенки, которые решают множество инженерных проблем по стойкости облицовки камеры перед разрушающим воздействием нейтронов и плазмы: на JET впервые будет проверено взаимодействие такой стенки и дейтерий-тритиевой плазмы.
На мой взгляд, подобный программы с одной стороны важны для подготовки запуска полноценной дейтерий-тритиевой кампании на ИТЭР, а с другой стороны подчеркивают невероятные сложности по работе с DT-реакцией. В условиях, когда термоядерная энергетика не является “спасительной соломинкой” для цивилизации, сложно ожидать ставки на DT-реакторы.
Композиционное изображение вакуумной камеры токамака JET (диаметром около 8 метров) и плазмы во время экспериментов.
Именно здесь, на JET в 1997 году был поставлен рекорд мощности термоядерной реакции для магнитных ловушек — 16 мегаватт в течении примерно 100 миллисекунд. Длительность тогда, впрочем, ограничивалась длительностью работы системы инжекции нейтралов, отвечающей за внешний нагрев плазмы. Сегодня эти ограничения гораздо мягче, поэтому есть планы продержать 16-мегаваттное горение в течении ~5 секунд. Опять же, дольше нельзя, т.к. есть определенный лимит на общее облучение конструкции вакуумной камеры термоядерными нейтронами.
Профили рекордных по мощности термоядерных экспериментов и планируемое будущее
Важным изменением по сравнению с 1997 стал перевод реактора на полностью металлическую облицовку — исчезли углепластиковые и графитовые элементы. Последние в свое время помогли снизить загрязнение плазмы материалами с высокими атомными номерами и пройти так называемый “радиационный барьер” на пути к термоядерным температурам. Однако, со временем стало понятно, что металлическая стенка с точки зрения эксплуатации все же лучше — меньше пыли, меньше “застревающего” в конструкции трития. Особенно это все касается дивертора — элемента, на который идет «слив» плазмы для отвода тепла и загрязнений из региона термоядерной реакции.
Элемент дивертора ИТЭР, недавно изготовленный Европой — облицовка из вольфрамовых блоков и активное охлаждение. На прямую часть приходится (под острым углом) поток плазмы мощностью 5-10 мегаватт/м^2
Кроме взаимодействия трития с перспективной (запланированной и на ИТЭР) полнометаллической стенкой, будут также проверены решения по подавлению ELM-неустойчивостей с помощью специальных пушек, стреляющих замороженными дробинками из DT-смеси, ну и множество идей токамачников по поведению плазмы.
В ходе “экспериментальной DT кампании №2 — DTE-2” также, впервые в истории, планируются плазменные эксперименты на чистом тритии. Поскольку отношение масса/заряд у трития в полтора раза больше, чем у дейтерия, на множестве явлений, чувствительных к этому отношению, можно будет сравнить моделирование и эксперимент.
По планам ближайшие несколько месяцев произойдет пуско-наладка машины, а затем примерно 5-месячная калибровочная серия физических экспериментов на дейтерии. После примерно 1-месячной проверки атомным надзором Великобритании готовности всех систем к работе с тритием начнется 3-х месячная физическая TT программа. Далее последуют дополнительные тренировки по безопасности, еще одна приемка, и наконец — сама четырехмесячная DTE-2.
Самый первый запуск JET после перерыва на водородной плазме. Замедленно в 40 раз.
Долгий и сложный заход в эту программу экспериментов связан как с неприятностью самого трития, так и с наведенной радиоактивностью в результате термоядерной реакции.
Тритий — легколетучий, как любой водород, пожароопасный и крайне радиоактивный газ. Для работы с ним приходится все оборудование устанавливать в герметичные перчаточные ящики, трубопроводы окружать герметичными вторыми оболочками, здание оборудовать системой понижения давления (чтобы снизить вероятность утечки наружу) и уменьшения содержания кислорода (для предотвращения пожаров, которые будут ночным кошмаром в случае трития). Всего на площадке может находится не больше 20 грамм трития, хранимого в виде гидрида(трейтида?) урана, и выдаваемого в систему нагревов. Но сожжено во всех экспериментах будет всего порядка 1 миллиграмма. Такая большая разница между “складом” и потребностями объясняется тем, что при проходе через плазму сгорает очень небольшая доля трития, а остальное, к сожалению загрязняется дейтерием и протием, после чего смесь надо отправлять на разделение изотопов — а этой системы на площадке JET нет.
Расчетные значения мощности дозы (радиоактивности) внутри вакуумной камеры JET в результате термоядерной активации. Впрочем, подобная активация довольно быстро спадает на 2-3 порядка.
Второй важнейшей инженерной задачей здесь (и в будущем — на ИТЭР) станет работа с активированной конструкцией. В конце DTE-2 радиационный фон в центре вакуумной камеры достигнет 80 мЗв/ч (8 рентген в час), поэтому для работы внутри будет применятся телеуправляемая робототехника. В ходе подготовки на ней уже тренировались в замене плиток, установке новых, установке различных датчиков и т.п.
Телеуправляемый робот внутри JET. Его использовали в ходе демонтажа активированных элементов после DTE-1.
Наконец, надо упомянуть еще одну «модную» идею — жидколитиевые стенки, которые решают множество инженерных проблем по стойкости облицовки камеры перед разрушающим воздействием нейтронов и плазмы: на JET впервые будет проверено взаимодействие такой стенки и дейтерий-тритиевой плазмы.
На мой взгляд, подобный программы с одной стороны важны для подготовки запуска полноценной дейтерий-тритиевой кампании на ИТЭР, а с другой стороны подчеркивают невероятные сложности по работе с DT-реакцией. В условиях, когда термоядерная энергетика не является “спасительной соломинкой” для цивилизации, сложно ожидать ставки на DT-реакторы.
