1. ITER - Солнце в миниатюре. 2. О работах CompMechLab® НИУ СПбГПУ по конечно-элементному исследованию мультидисциплинарных проблем термоядерных реакторов
Сайт FEA.ru приводит статью Селесте Бивер, опубликованную ранее в июньском номере журнала New Scientist, посвященную строительству экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (ITER).
Начались работы по строительству реактора ИТЭР – самого грандиозного мирового эксперимента в области термоядерного синтеза.
Здесь загорится искусственное солнце
Под палящими лучами яркого солнца мы проходим сквозь ряды бетонных блоков высотой в человеческий рост. Сотни этих глыб расходятся от центральной точки и выстроены в линии – это напоминает детский рисунок солнца, почему-то оказавшегося на дне большого известнякового карьера на юге Франции. Можно подумать, что я нахожусь на месте поклонения ближайшей к нам звезде, и в некоторой степени это действительно так. Если все пойдет по плану, пространство надо мной когда-нибудь озарится первой самоподдерживающейся термоядерной реакцией и станет искусственным светилом с температурой в 10 раз выше, чем у Солнца, дарящего жизнь нашей планете.
В верхней части блоков установлены амортизаторы, позволяющие гасить вибрации. Это сделано для защиты возводимого сооружения в случае землетрясения. Все вместе они образуют фундамент для ИТЭР – международного экспериментального термоядерного реактора – амбициозного и выдающегося совместного проекта семи ведущих мировых энергетических держав: Китая, Индии, Японии, Южной Кореи, России, США и Европейского Союза. Его задача – создать первый в мире вырабатывающий энергию термоядерный реактор, где будут происходить процессы, аналогичные тем, что происходят на Солнце и большинстве других звезд. При сверхвысоких температурах и давлениях два атома водорода (дейтерий и тритий) сливаются, образуя гелий, при этом энергии выделяется больше, чем расходуется на поддержание процесса.
Термоядерный синтез имеет массу преимуществ перед своим более опасным родственником – процессом ядерного деления, и уже давно считается эффективным источником энергии. Однако только сегодня, после серьезных урезаний бюджета в 1990-х годах и многих лет ожесточенных политических распрей относительно выбора места строительства, огромные конструкции и устройства будущего ИТЭР начинают обретать форму. «Это одно из самых сложных сооружений, какие только можно себе представить, – говорит Ричард Питтс, руководитель группы по исследованию взаимодействия плазмы со стенкой токамака ИТЭР. – Это воистину грандиозное научное мероприятие».
Здание высотой 60 метров, которое однажды появится здесь, станет центральным элементом в комплексе из 39 сооружений. В нем разместится тороидальная камера – сердце ИТЭР, где будет находиться раскаленная смесь водорода и гелия. При высочайшей температуре – 150 миллионов градусов Цельсия – дейтерий (изотоп водорода с одним дополнительным нейтроном) и тритий (изотоп с двумя нейтронами) переходят в агрегатное состояние плазмы, в котором их ядра сливаются и образуют гелий. Находясь в состоянии «горящей плазмы», они станут выделять энергию в виде нейтронов, которые будут нагревать стенки реактора, а в реакторах новых поколений, возможно, будут использоваться для вращения турбины.
Реактор будущего. Самые большие в мире магниты будут удерживать
тороидальную камеру со сверхраскаленной плазмой. Внутри нее
ядра водорода будут сливаться и образовывать гелий. Возможно, в итоге
мы увидим первое в мире искусственное «горение плазмы»
Если плазму можно назвать сердцем ИТЭР, то его скелетом являются магниты. Для сдерживания сверхраскаленной заряженной массы потребуется несколько самых крупных в мире магнитов. Самыми большими из них станут полоидальные катушки, которые будут горизонтально расположены вокруг тороидальной камеры. Их ширина 25 метров и вес более 400 тонн. Из-за этого катушки слишком крупны для транспортировки, и поэтому они будут собраны прямо на месте эксплуатации в специально возведенном для этого ангаре длиной 250 метров.
При входе он кажется совершенно пустым, а его пол блестит, словно мокрый. От потолка нависает огромный кран, установленный на рельсах, идущих по всей длине здания. Именно здесь, неспешно передвигаясь по сборочной линии сверхточного производства, появятся на свет выполненные из ниобиево-титанового сплава катушки электромагнита. Готовые магниты будут иметь практически идеально ровную поверхность – максимально допустимые отклонения составляют всего 2 мм в высоту.
После установки гигантские магниты будут охлаждены до температуры, которая лишь на 4 градуса превышает абсолютный ноль и составит около минус 269°C. Это сделает их сверхпроводящими и позволит ограничить потребление ими энергии. В итоге один из самых холодных предметов на планете будет находиться всего лишь в нескольких метрах от одной из самых горячих субстанций во всей Вселенной – плазмы реактора ИТЭР.
Конечный пункт нашей экскурсии – кабины, в которых в настоящее время работают создатели ИТЭР. В них мы можем познакомиться с работой еще одной жизненно важной для реализации проекта технологией: робототехникой. Хотя ядерный синтез и намного безопаснее, чем ядерное деление, в ходе него все равно образуются радиоактивные и токсичные вещества. Источником большинства из них являются нейтроны высокой энергии, которые постепенно проникают в стенки корпуса и создают такие изотопы, как кобальт-60. Тритий также обладает радиоактивностью, а бериллий, используемый для облицовки стен, ядовит.
Роботы из виртуальной реальности
Для решения вопросов безопасности проектировщики ИТЭР работают над созданием системы дистанционного управления, включающей в себя множество «ядерных подъемников», каждый из которых имеет размер большого автобуса. Их механические «руки»-манипуляторы будут использоваться для удаления и транспортировки отработавших свой срок компонентов из корпуса реактора в специальное хранилище, называемое горячей камерой, а также для установки на их место новых деталей. По словам Джима Палмера, инженера по дистанционному управлению реактором ИТЭР, крайне важно, что роботы пригодятся для выполнения непредвиденных задач. «ИТЭР – эксперимент, – говорит он. – И многие физики захотят поиграть с новым устройством».
На АЭС уже сегодня используется роботизированное оборудование, облегчающее работу с радиоактивными материалами. «Реактор АЭС представляет собой ряд движущихся вверх-вниз стержней, – говорит Карло Дамиани, руководитель проектной группы по дистанционному управлению реактором ИТЭР. – Однако ИТЭР имеет тороидальный корпус, для доступа внутрь которого требуется выполнить сложную последовательность действий».
Именно поэтому операторы ИТЭР планируют использовать для контроля за роботами систему виртуальной реальности. Виртуальная модель обеспечит более понятную картину, чем установленные внутри реактора радиационно стойкие камеры, и позволит более аккуратно и точно перемещать механические «руки». Система также запрограммирована на предсказание столкновений. Это позволит оператору быстро их предотвращать.
Следующей после начала синтеза задачей станет поиск способа получения трития внутри самого реактора (через бомбардировку литиевой мишени нейтронами, получаемыми в процессе синтеза). Для запуска реактора тритий будет закуплен, однако, чтобы термоядерный синтез стал экономически эффективным (1 килограмм трития стоит около 30 миллионов долларов, для запуска требуется как минимум три килограмма), необходимо научиться вырабатывать этот изотоп.
«Мы с волнением ждем того момента, когда сможем увидеть горящую плазму, – говорит Деннис Уайт (Dennis Whyte), ученый-ядерщик из Массачусетского технологического института (США). – Нам предстоит зажечь новую звезду на нашей планете».
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-элементная (КЭ) модель блока W-LBSRP дивертора токамака JET
3-D КЭ-модель клиновидного держателя облицовки блока W-LBSRP дивертора токамака JET
3-D КЭ-модель основания блока W-LBSRP дивертора токамака JET
3-D КЭ-модель крепежной плиты блока W-LBSRP дивертора токамака JET
Модуль вектора перемещения в клиновидном держателе облицовки для двух вариантов нагружения
Распределение плотности вихревых токов в держателе облицовки и крепежной плите токамака JET
Распределение плотности вихревых токов в крепежной плите токамака JET
Фрагмент вольфрамовой облицовки дивертора токамака JET, уставленной 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) // 24th 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).
Новости на сайте по теме:
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 Термоядерный реактор JET тестирует покрытие, открывающее путь к термояду. 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
Подробнее узнать о выполненных совместно с сотрудниками Forschungszentrum Juelich работах и ознакомиться с некоторыми результатами Вы можете в разделе сайта www.FEA.ru - Выполненные работы:
 |
|
| Ключевые слова: |
Токамак, JET (Joint European Torus), ITER, дивертор, облицовка, нестационарные электромагнитные поля, вихревые токи, halo-токи, электромагнитные нагрузки, 3-D напряженно-деформированное состояние, множественные контактные взаимодействия |
| Программное обеспечение: | CATIA V5, ANSYS/Mechanical, ANSYS/EMAG |
| Год: | 2005 |
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® с использованием материалов сайта «Наука и технологии РФ».