Расчётные, проектные и технологические разработки термоядерных установок и реакторов типа токамак

Исследования и разработки в области управляемого термоядерного синтеза (УТС) ведутся в мире более 50 лет. Интерес к этим работам диктуется практической неисчерпаемостью запасов топлива для термоядерной энергетики, потенциальной безопасностью и экологично стью термоядерных реакторов (ТЯР).

С конца 60-х годов прошлого столетия доминирующей стала отечественная концепция установок с магнитным удержанием плазмы типа Токамак, которая сегодня рассматривается в качестве основы для первых ТЯР.

Все установки, созданные в мире до сих пор, предназначались в основном для физических исследований и накопления соответствующей базы данных. Однако для оценки масштабов технических проблем, которые следует решить до строительства энергетических ТЯР, уже в 70-х годах были выполнены достаточно подробные концептуальные проработки проектов таких ТЯР и электростанций на их основе. К ним относится, например, серия разработок Висконсинского университета США (проекты UWMAK), а также Принстонский проект РРР (Princeton Power’Plant). Из отечественных разработок можно упомянуть ОПТЯЭС (Опытно-Промышленная Термоядерная Электростанция) и ГТРТ (Гибридный Термоядерный Реактор-Токамак). Одним из результатов этих проработок является осознание необходимости создания реакторов промежуточного поколения -• экспериментальных и демонстрационных.

Основными задачами экспериментальных реакторов являются достижения реакторных параметров плазмы, длительное термоядерное горение (с возможностью достижения зажигания и стационарного режима) и испытания инженерных систем реактора в интегрированном виде. Как результат будет создана физическая и инженерная база данных для демонстрационного реактора ДЕМО.

В 80-х годах в СССР разрабатывался проект опытного термоядерного реактора OTP, в СШАFED, в Европе — NET, в Японии — FER. Проекты этих реакторов оказались очень близкими по целям и задачам, размерам, ряду технических предложений и стоимости. Следует отметить также, что в этот период начались достаточно серьезные технологические НИОКР по ключевым системам ТЯР. Общность интересов и стремление снизить затраты для каждой из сторон привели, по инициативе СССР, к объединению усилий сначала в рамках проекта ИНТОР, а затем, в 1988 г., по проекту ИТЭР, который разрабатывали специалисты из России, Японии, стран Евратома и США. В результате в 2001 г. впервые был разработан детальный технический проект экспериментального ТЯР и осуществлен цикл уникальных НИОКР в его обоснование. В ноябре 2006 г. подписано межправительственное Соглашение о строительстве ИТЭР, к которому присоединились КНР, Индия и Южная Корея.

ИТЭР является экспериментальным реактором и не предназначен для генерации коммерческой электроэнергии. Эту роль должен выполнить демонстрационный энергетический реактор ДЕМО, проработки которого, на разном уровне, ведутся в ряде стран, в том числе в России. В качестве специфического для ДЕМО НИОКР в ИТЭР предполагается испытать прототипы энергетических тритийвоспроизводящих модулей бланкета (тест-модули). Особняком стоит задача разработки и испытаний малоактивируемых конструкционных материалов, для чего потребуются специальные установки — нейтронные источники.

Необходимо отметить, что, не смотря на переход к этапу строительства ТЯР, по-прежнему актуальна задача поддержания экспериментальных физических установок, проектирования и создания новых. Для России весьма актуально создание национальной установки среднего класса, каковой мог бы быть проект Т-15М.

В настоящее время наиболее актуальными являются проблемы, связанные с практической реализацией экспериментальных ТЯР и сконцентрированные вокруг проекта ИТЭР. В силу сложности геометрии реакторов-токамаков, взаимосвязи протекающих в них процессов актуальной является разработка и совершенствование расчетных методик и вычислительных программ, необходимых для численного моделирования инженерных систем ТЯР (моделирование магнитной системы, переходных электромагнитных процессов, тепловых процессов и т. п.). Актуальной является задача создания специализированных установок для поддержки экспериментальной программы ИТЭР (в том числе нейтронных источников). К наиболее актуальным следует отнести проблемы разработки конструкций, технологий изготовления, создания стендовой базы и проведения НИОКР по электромагнитной системе (энергоемкая система), дивертору и первой стенке (энергонапряженные системы).

Целями диссертационной работы являлись:

1. Разработка расчетных методик и вычислительных программ, необходимых для численного моделирования и проектирования реакторов-токамаков.

2. Разработка проектов специализированных токамаков, в том числе нейтронных источников, w экспериментальных ТЯР.

3. Разработка технологий изготовления сверхпроводящих магнитных систем реакторов-токамаков, создание специализированной стендовой базы и проведение цикла НИОКР.

4. Разработка технологий создания дивертора и первой стенки экспериментальных ТЯР, проведение цикла НИОКР на специальных стендах.

Научная новизна и практическая ценность.

1. Разработан комплекс расчетных методик и вычислительных программ для численного моделирования энергоемких и энергонапряженных систем реакторов-токамаков.

2. Выполнены проектные проработки реакторов (OTP, ИТЭР) и экспериментальных специализированных установок (Т-10С, Т-15М, КТМ, VNS).

3. Разработаны конструкции и технологии изготовления сильноточных сверхпроводящих кабелей, созданы технологические линии их изготовления.

4. Создана стендовая база для исследования свойств отдельных проводов и кабелей.

5. Предложена и реализована программа создания и испытания Катушки-Вставки из Проводника Тороидальной Обмотки (КВПТО) для ИТЭР.

6. Создана экспериментальная база и отработаны технологии изготовления элементов дивертора и первой стенки ИТЭР.

Связь с государственными планами НИОКР: Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-технических работ, проводимых в Федеральном унитарном государственном предприятии «НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова», в соответствии с Координационным планом по Государственной научно-технической программе «УТС и плазменные процессы», а также в соответствии с Федеральной целевой программой «Международный термоядерный реактор ИТЭР» на 2002;2005 гг. (Постановление Правительства РФ № 604 от 21.08.2001), Федеральной целевой научно-технической программой «Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку» на 1999;2001 гг. (Постановление Правительства РФ № 1417 от 01.12.1998) и Федеральной целевой программой «Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку» на 1996;1998 гг. (Постановление Правительства РФ № 1119 от 19.09.1996).

Достоверность.

Результаты работ использованы и внедрены в проект международного токамака ИТЭР, как экспериментально подтверждающие заложенные в него принципы построения конструкции и новые технологии сверхпроводящей ЭМС ИТЭР.

Проект Модельной катушки-вставки с проводником тороидальной обмотки (КВПТО) ИТЭР реализован как часть программы НИОКР в обоснование проектирования ИТЭР, в ходе выполнения которого получили экспериментальную проверку принципы построения конструкции и новые технологии.

Проведённый цикл НИОКР для обоснования основных технологических операций по изготовлению систем первой стенки и дивертора также экспериментально подтвердил сформулированные в диссертационной работе положения.

Достоверность результатов математического моделирования подтверждается путём сопоставления результатов, полученных автором, с аналитическими решениями, результатами расчётов с использованием других программ для установок Т-10С, Т-15, ТСП, GLOBUS-M, VNS, КТМ, OTP, ИНТОР, ИТЭР, данными, полученными в ходе экспериментов, в том числе, и специально организованных, в частности на установке GLOBUS-M.

Апробация работы и публикации Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных, Всероссийских и международных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов ИПТР — 2, 4, 5, 6, 7 (Ленинград, Санкт-Петербург 1981, 1988, 1990, 1997, 2002гг.) — 2-м Советско-Американском семинаре «СинтезДеление» (Москва, 1977 г.) — 4-м заседании Технического Комитета МАГАТЭ и Совещании по проектам технологии термоядерных реакторов (Ялта, 1986 г.) — 1-м и 4-м Симпозиумах по технологии ядерного синтеза (Токио, 1988 г., 1997 г.) — Американских симпозиумах по термоядерной инженерии v (12 IEEE/NPSS, Монтерей, 1987 г., 17 IEEE/NPSS, Сан-Диего, 1997 г.) — международных совещаниях по проблемам математического моделирования, программированию и математическим методам решения физических задач (Дубна, 1983, 2002гг.) — 13-й и 15-й международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Вашингтон, 1990 г., Севилья, 1994 г.) — 17-й конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии (Йокогама, 1998 г.) — международных конференциях по магнитной технологии МТ (МТ-12, 1991 г., СССРМТ-15, 1997 г., КНРМТ-16, 1999 г., СШАМТ-17, 2000 г., ШвейцарияМТ-18, 2003 г., Япония) — многочисленных международных совещаниях по проекту ИТЭР (1989;2001гг., ФРГ, США, Япония), представлены в ведущих отечественных и зарубежных журналах:

Журнал технической физики, Журнал вычислительной математики и математической физики, Физика плазмы, Вопросы атомной науки и техники, сер. «Электрофизическая аппаратура», Вопросы атомной науки и техники, сер. «Термоядерный синтез», Nuclear Fusion, Plasma Devices and Operations, NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH Section A, Fusion Engineering and Design, IEEE Transactions on Magnetics, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Cryogenics, NUCLEONIKA, Гироскопия и навигация, Авиакосмическое приборостроение, Гос. реестр изобретений РФ, Москва, Реестр программ для ЭВМ, Москва, ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ БАЗЫ ДАННЫХ ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Официальный бюллетень российского агентства по патентам и товарным знакам ФИПС МОСКВА, Электроника (Наука, Технология, Бизнес).

Основные результаты опубликованы в 106 работах и одной монографии.

Основное содержание работы.

1. Расчетные методы.