Разработка токамака, выдерживающего срывы плазмы, в Центре изучения плазмы и термоядерного синтеза MIT

Bridget Paulus 17/10/2016
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Создание стабильного устройства для термоядерного синтеза обеспечит население Земли почти неограниченной экологически чистой энергией. Разработки такого устройства начались ещё в 1950-х, и до сих пор инженеры стараются воплотить те идеи в реальность. Один из подходов к решению данной проблемы заключается в магнитном удержании плазмы в т.н.токамаках. Из этой заметки вы узнаете о том, как группа инженеров из Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза (PSFC) в Массачусетском Технологическом Институте (MIT) использовала возможности численного моделирования для расчёта ключевой проблемы при проектировании токамака: нестабильности в следствие срыва плазмы.

Удержание плазмы внутри токамака

Как уже отмечалось в предыдущей статье, токамак является экспериментальной установкой для синтеза термоядерной энергии. В нём водородное топливо нагревается более чем на 150,000,000°C, и такая температура "заставляет" электроны отделяться от ядер, таким образом, создавая плазму. Магнитные поля используются для ограничения плазмы внутри вакуумной камеры. Они удерживают горячую плазму на расстоянии от стенок камеры, при этом более сильные поля могут улучшить характеристики плазмы.

Плазма в окне токамака.
Фотография разряда плазмы в окне токамака. Изображение предоставлено Bobmumgaard — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 из Wikimedia Commons.

Влияние магнитных полей на рабочие характеристики плазмы является одной из причин, по которой исследователи Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза (PSFC) Массачусетского Технологического Института (MIT) сфокусировались именно на методике использования очень сильных магнитных полей для синтеза. Так как мощность синтеза пропорциональна напряжённости магнитного поля в четвёртой степени, любое увеличение последнего приведёт к значительному увеличению мощности и обеспечит лучшее удержание плазмы.

Эксперимент по созданию новейшего дивертора (Advanced Divertor eXperiment) от Центра PSFC

Задачей эксперимента по созданию новейшего дивертора (Advanced Divertor eXperiment — ADX), предложенного инженерами Центра и их коллегами, является разработка компактного токамака с сильными магнитными полями. В таком токамаке возможно использование коротких плазменных разрядов для получения плотностей, тепловых потоков и температур, характерных для большого реактора. Главным нововведением, которое сделает ADX отличным от других токамаков, является модульность вакуумной камеры. Последняя состоит из пяти осесимметричных блоков вместо единственного цилиндра. Преимущество такой системы в том, что она позволяет инженерам совершенствовать и изменять части конструкции, например дивертор, по отдельности по мере экспериментальных опытов и исследований.

Предложенная конструкция токамака ADX.
Предложенная конструкция токамака ADX.

Основной проблемой при работе токамаков является высвобождение огромного количества теплоты и выделяющихся из плазмы частиц. Функцию сбора этих частиц выполняет дивертор. Проект ADX рассчитан на проведение тестов с различными конфигурациями диверторов, что позволит, на основе измеренных данных, оценить эффективность различных конструктивных решений.

Ещё одной проблемой при работе токамаков является срыв плазмы. В нормальном режиме внутри плазмы протекают огромные электрические токи. К примеру, проект ADX рассчитан на токи около 2 МА. При срыве теряется равновесие плазмы и она гаснет за очень короткий промежуток времени порядка одной миллисекунды.

Такой сценарий срыва плазмы называется случаем вертикального смещения (vertical displacement event — VDE). В процессе вертикального смещения изменения в плазме приводят к быстрому изменению магнитных полей, которые наводят вихревые токи в окружающих проводящих материалах, к примеру, в вакуумной камере. Когда эти вихревые токи пересекают полоидальные и тороидальные магнитные поля в токамаке, они создают большие силы Лоренца, которые система должна выдерживать.

Конструкция вакуумной камеры, предложенная PSFC.
Наводимые на стенках вакуумной камеры вихревые токи.

Слева: Конструкция вакуумной камеры, предложенная в Центре изучения плазмы и термоядерного синтеза (PSFC). Справа: Наводимые на стенках вакуумной камеры вихревые токи.

В процессе срыва плазма может приближаться к стенкам вакуумной камеры, что в свою очередь приводит к увеличению нагрузки на камеру. Инженеры Центра рассматривали случай VDE как тестовый кейс для проверки возможности использования предлагаемых конструкций камеры в ADX.

Моделирование процесса срыва плазмы с вертикальным смещением (VDE) в вакуумной камере токамака

Для уменьшения вихревых токов в качестве материала камеры был взят инконель 625 (Inconel 625). Данный материал обладает высоким электрическим сопротивлением и высокой прочностью. что позволило исследователям снизить величину вихревых токов на стенках камеры. При компьютерном моделировании изначальной конструкции, инженеры получили большие механические напряжения и деформации в корпусе камеры, как показано ниже.

Расчётная модель вакуумной камеры для анализа на прочность.
Расчетные механические напряжения и деформации в процессе VDE.
Расчётная модель вакуумной камеры. Фиолетовым цветом показаны границы, которые были зафиксированы. Расчетные значения механических напряжений (a) и деформаций (b) в процессе VDE.

Затем инженеры добавили арматурный опорный блок к одной из границ камеры. Это позволило стабилизировать вакуумную камеру и значительно уменьшило напряжения и деформацию стенок. Расчеты показали, что с добавлением такого блока камера сможет выдержать срыв плазмы и хорошо функционировать в составе ADX.

Расчётная модель вакуумной камеры для прочностного анализа с учетом добавления дополнительного опорного блока.
Расчетные механические напряжения и деформации в процессе VDE для оптимизированной конструкции.
Расчетная модель для прочностного анализа вакуумной камеры с учетом добавления опорного блока. Распределение механических напряжений (a) и деформаций (b) в процессе VDE для случая оптимизированной конструкции.

Проектирование мощных термоядерных установок с использованием COMSOL Multiphysics®

Когда мы говорим о проектировании термоядерных устройств, компьютерное моделирование служит мощным инструментом для эффективных расчётов и оптимизации конструкций. С помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics® команда исследователей из PSFC провела расчёты магнитных полей в конструкции токамака, которые с высокой точностью совпали с экспериментальными данными. Гибкость программы позволила инженерам легко переходить от одних физических интерфейсов и исследований к другим.

По результатам моделирования инженеры из центра изучения плазмы смогли обеспечить надёжную работу вакуумной камеры в различных режимах. Такие исследования помогают развивать технологии ядерного синтеза, ускоряя его практическую реализацию.

Дополнительные ресурсы по моделированию термоядерных установок


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта