1. Бериллиево-вольфрамовые стенки международного термоядерного реактора ITER успешно прошли испытания. 2. О работах CompMechLab® НИУ СПбГПУ по расчетному сопровождению процесса проектирования вольфрамовых стенок дивертора термоядерного реактора JET

 

         

Инженеры успешно испытали бериллиево-вольфрамовые стенки для международного термоядерного реактора ITER на экспериментальной установке JET. Сообщение об этом было опубликовано на конференции по физике плазмы, его содержание кратко суммирует ScienceNow.

ITER - проект международного экспериментального термоядерного реактора, - в его строительстве участвуют государства Евросоюза, Россия, США, Китай, Япония и другие страны. Задача ITER заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Реактор ITER будет иметь высоту 29 метров и диаметр 28 метров. Проектирование термоядерного реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства - исследовательский центр Кадараш (Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя.

Реактор ITER должен продемонстрировать возможность термоядерного синтеза как способа производства энергии. Все установки, в которых до сих пор проводились эксперименты по синтезу, затрачивали на свою работу больше энергии, чем вырабатывали сами. 

Первоначально название "ITER" было образовано как сокращение International Thermonuclear Experimental Reactor, но в настоящее время оно официально не считается аббревиатурой, а связывается с латинским словом iter - путь.

Испытания проходили на расположенной в Великобритании экспериментальной установке Joint European Torus (JET, the Joint European Torus; дословный перевод - Общий европейский тор) - европейская тороидальная камера; крупнейший в мире действующий экспериментальный термоядерный реактор для удержания физической плазмы магнитным полем. Основная задача JET - открыть в будущем способ проведения управляемой термоядерной реакции. Установка JET была создана для получения научной информации, поэтому ее размеры гораздо меньше планируемых размеров ITER. Тем не менее, условия, с которыми сталкиваются стенки в реакторе, позволяют «в деле» испытать разработанные инженерами ITER технологии.

Термоядерным синтезом называют слияние ядер водорода с образованием гелия и выходом большого количества энергии. Внутренние стенки реактора во время этого процесса сталкиваются с огромными температурами. Они также подвергаются очень мощному нейтронному облучению, которое делает материалы стенок радиоактивными и приводит к их быстрому разрушению. Кроме того, плазма внутри реактора способна захватывать частицы обкладки, что может привести к ее «отравлению», а тритий из плазмы может сам накапливаться в стенках, что приводит к трудностям в контролировании реакции.

Решить эти взаимно противоречивые задачи инженеры смогли, создав стенки из комбинации двух материалов - бериллия и вольфрама. Безопасный для плазмы бериллий использовался как основной материал стенок, а те места, которые сталкивались с самой высокой температурой (предназначенные для удаления продукта реакции - гелия), были выложены вольфрамом.

Испытания новых стенок, по словам ученых, прошли удачно. Они разрушались гораздо медленнее, чем ранее использовавшиеся на JET стенки из углерода. Кроме того, в них накапливалось в десять раз меньше трития - это должно положительно сказываться и на управляемости реакции, и на необходимости замены материалов.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта Lenta.ru.

Комментарий FEA.ru

 

    

Замена материалов элементов стенок токамака JET на выбранные для ITER зачастую оказывается невозможной без перепроектирования соответствующих элементов конструкции. В частности, прямая замена графитовой облицовки токамака JET на вольфрамовую (один из материалов, выбранных для первой стенки дивертора ITER) невозможна по ряду причин. Основная из них заключается в том, что вольфрам обладает гораздо большей электропроводностью, чем графит, и, следовательно, под действием переменного внешнего магнитного поля в вольфрамовой облицовке будут возникать значительно бóльшие вихревые токи. Большие вихревые токи при наличии мощного внешнего магнитного поля, очевидно, приведут к огромным пондеромоторным нагрузкам на конструкцию, что является неприемлемым.

Сотрудники CompMechLab® в 2005 – 2008 годах в рамках совместной деятельности с Forschungscentrum Jülich, Институт физики плазмы (Institut für Plasmaphysik), осуществляли расчетное сопровождение процесса проектирования модифицированного модуля W-LBSRP для реактора JET, выполняя нестационарные электромагнитные, тепловые и прочностные расчеты для нескольких вариантов конструкции блока. Основной целью многовариантных исследований являлся поиск новых технологических решений для проекта ITER.

Предпосылкой для проведения исследования послужила необходимость применения в дивертере ITER вольфрамовой облицовки вместо графитовой, применяемой в Токамаке JET. Прямая замена графитовой облицовки на вольфрамовую невозможна по ряду причин. Основная из них заключается в том, что вольфрам обладает гораздо большей электропроводностью, чем графит, и, следовательно, под действием переменного внешнего магнитного поля в вольфрамовой облицовке будут возникать значительно бóльшие вихревые токи. Большие вихревые токи при наличии мощного внешнего магнитного поля, очевидно, приведут к огромным пондеромоторным нагрузкам на конструкцию, что является неприемлемым.

Для решения выше перечисленных проблем конструкторами Forschungszentrum Jülich был предложен новый вариант дизайна блока W-LBSRP (появившийся в названии блока символ «W» подчеркивает основную особенность нового блока – вольфрамовую облицовку). Характерной особенностью нового блока W-LBSRP является облицовка, «нарезанная» из множества вольфрамовых ячеек.

Ниже представлены рисунки из Отчетов и Публикаций сотрудников CompMechLab®  НИУ СПбГПУ:

Вакуумная камера токамака JET

 
3-D конечно-элементные (КЭ) модели блока W-LBSRP дивертора (слева) и
клиновидного держателя облицовки блока дивертора (справа) термоядерного реактора JET


3-D КЭ-модели основания блока W-LBSRP (слева) и крепежной плиты блока дивертора (справа) термоядерного реактора JET 

Модуль вектора перемещения в клиновидном держателе облицовки для двух вариантов нагружения

 

Распределение плотности вихревых токов в крепежной плите (слева) и 
в держателе облицовки и крепежной плите (справа) термоядерного реактора JET

Фрагмент вольфрамовой облицовки дивертора термоядерного реактора JET, установленной на держатель

Публикации сотрудников CompMechLab® по данной теме:

1. Borovkov A., Gaev A., Nemov A., Neubauer O., Panin A. 3-D Finite Element Electromagnetic and Stress Analyses of the JET LB-SRP Divertor Element (Tungsten Lamella Design) // Fusion Engineering and Design. 82 (2007). 1871 - 1877.
Эта статья в январе-марте 2009 года вошла в рейтинг Top25 Hottest Articles (Energy > Fusion Engineering and Design)

2. Hirai T., Bondarchuk E., Borovkov A.I., Koppitz Th., Linke J., Mertens Ph., Neubauer O., Panin A., Philipps V., Pintsuk G., Sadakov S., Steinbrech R.W., Schweer B., Uytdenhouwen I., Vaen R., Samm U., Sievering R. Development and testing of a bulk tungsten tile for the JET divertor // Physics Scripta. 2007. T128. 144 - 149.
3. Borovkov A., Gaev A., Nemov A., Neubauer O., Panin A. 3-D Finite Element Electromagnetic and Stress Analyses of the JET LB-SRP Divertor Element (Tungsten Lamella Design) // Proc. 24th Symposium on Fusion Technology. Poland. Warsaw. 2006. Preprint EFDA-JET-CP(06)04-04. 2006. 11p.
4. Borovkov A., Gaev A., Nemov A., Neubauer O., Panin A. 3-D Finite Element Electromagnetic and Stress Analyses of the JET LB-SRP Divertor Element (Tungsten Lamella Design) // 24^th Symposium on Fusion Technology. Book of Abstract (P2-F-31 abstract). Poland. Warsaw. 2006. p. 200.
5. Hirai T., Bondarchuk E., Borovkov A.I. et al. Development and Testing of a Bulk Tungsten Tile for the JET Divertor // Proc. 11th Int. Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications. Germany. 2006.
6. Borovkov A., Gaev A., Nemov A., Neubauer O., Panin A. 3-D Finite Element Electromagnetic and Stress Analyses of the JET LB-SRP Divertor Element (Tungsten Lamella Design) // Preprint of Paper for publication in Proceedings of the SOFT Conference, 2006, Warsaw, Poland. 15 p.

Ссылки по теме:

• Визит сотрудников CompMechLab в Forschungszentrum Juelich. Краткий обзор работ CompMechLab® в области исследования проблем механики термоядерных реакторов
  В феврале 2009 г. ведущие инженеры CompMechLab А. Немов и И. Войнов по приглашению руководителя Engineering Department of Institute of Energy Research - Plasma Physics Dr. O. Neubauer находились в научно-исследовательским центре Forschungszentrum Juelich.
  В ходе визита состоялось обсуждение и согласование деталей очередного совместного научно-исследовательского проекта. Напомним, что ранее в 2005-2008 гг. сотрудники CompMechLab успешно выполнили 3 мультидисциплинарных проекта, связанных с конечно-элементным моделированием нестационарных электромагнитных и тепловых полей, а также напряженно-деформированного состояния разнообразных конструкционных элементов термоядерных реакторов JET (Joint European Torus) и ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). 
• Другие новости на сайте FEA.ru по этой теме:

  2012.07.06 1. ITER - Солнце в миниатюре. 2. О работах CompMechLab® НИУ СПбГПУ по конечно-элементному исследованию мультидисциплинарных проблем термоядерных реакторов
  2012.06.30 Темы 27 бакалаврских работ, защищенных по направлению 151600 "Прикладная механика" (профиль - "Вычислительная механика и компьютерный инжиниринг") на кафедре "Механика и процессы управления" ФМФ НИУ СПбГПУ
  2012.06.29 Темы 23 магистерских диссертаций, защищенных по направлению 151600 "Прикладная механика" (магистерская программа - "Вычислительная механика и компьютерный инжиниринг") на кафедре "Механика и процессы управления" ФМФ НИУ СПбГПУ
  2011.11.01 1. Термоядерный реактор JET тестирует покрытие, открывающее путь к термояду. 2. О работах CompMechLab® НИУ СПбГПУ по расчетному сопровождению процесса проектирования модуля W-LBSRP для реактора JET
  2011.06.30 ITER против IGNITOR
  2009.02.28 В немецком научно-исследовательском Forschungszentrum Juelich будет установлен самый мощный суперкомпьютер в Европе
  2007.10.22 DELMIA будет использоваться при создании термоядерного реактора
  2006.11.22 Подписано соглашение о строительстве первого в мире международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР
  2006.10.10 В Китае прошли испытания экспериментального термоядерного реактора
  2006.06.13 Cотрудничество CompMechLab с Forschungscentrum Juelich в области проблем механики термоядерных ректоров
  2006.05.27 Дан старт проекту по созданию первого в мире термоядерного реактора ИТЕР
  2006.04.21 Названы имена лауреатов крупнейшей российской научной премии Глобальная энергия