Версия для печати
Вернуться к списку

Капиталовложения в инновационные технологии в сфере разработки перспективных источников энергии: научная кооперация академических институтов и промышленных предприятий для разработки сферического токамака с применением сверхпроводящей магнитной системы

Завершается предъюбилейный 2023 год, предшествующий трехсотлетию старейшей отечественной Академии – Российской академии наук (РАН). Всего через месяц, 8 февраля 2024 года РАН отметит трехвековой юбилей: основанная 08.02.1724 (новый стиль) императором Петром Первым, РАН по прежнему остается бесспорным лидером в сфере инновационных технологий, фундаментальных и прикладных разработок в различных отраслях, включая разработку перспективных источников энергии. Особое внимание уделяется успешной долгосрочной научной кооперации академических институтов и промышленных предприятий, в т.ч., для создания сферических токамаков с использованием сверхпроводящих магнитных систем.

В конце декабря в Российской Федерации традиционно отмечается профессиональный праздник – День энергетика. Чествуя работников энергетической отрасли, необходимо помнить, что современная цивилизация чрезвычайно зависит от выработки электрической энергии: без ее генерации остановятся все процессы на Земле, что неминуемо приведет к неминуемой гибели человечества! Согласно экспертным оценкам, порядка 70% современных электростанций в качестве исходного ресурса используют нефть или природный газ: их мировых запасов которых хватит не более, чем на полвека. Альтернатива – атомные электростанции (АЭС), использующие в качестве основного ресурса уран 235, мировых запасов которого хватит также не более, чем на век. Даже с учетом использования технологий повторной переработки ядерных отходов срок работы АЭС можно увеличить тоже не более, чем на 200 лет! Возникает острейшая необходимость усовершенствования перспективных источников энергии – установок типа токамак, использующих в качестве базового ресурса изотопы водорода: Тритий и Дейтерий. Рассмотрим краткий обзор эволюции установок типа токамак в сторону создания установок со сверхпроводящими магнитами с учетом свойств сверхпроводящих материалов, определяющих возможность их использования для создания магнитных систем. Не забудем также упомянуть нашедшие повсеместное применение для создания магнитных систем технические сверхпроводники и проводники на их основе.

Начнем с того, что Дейтерия (Д) в мировом океане содержится в неограниченном количестве. Тритий (Т) можно производить из Лития, которого на Земле также достаточное количество. При слиянии Д (Н2) и Т (Н3) выделяется большое количество энергии, инертный газ Гелий (Не4) и быстрые нейтроны, что и обеспечивает безопасность и экологичность установок типа токамак. Например, при использовании 86 г Д-Т смеси выделяется столько же энергии, сколько вырабатывается при сжигании 1000 т угля! Если использовать токамак в качестве источника быстрых нейтронов, которые можно улавливать и облучать ими Торий 232 (Th232), которого очень много в коре Земли, получая в результате химической реакции Уран 233 (U233), являющийся полноценным топливом для АЭС. Чтобы начать получать из этих компонент энергию, нужно научиться успешно управлять термоядерным синтезом, но пока эта задача до конца не решена. Плазма в реакторе нагревается до 150 млн. К – температура эта в 10 выше, чем на Солнце, поэтому существует необходимость изоляции плазмы от стенок реактора. В середине прошлого века советскими учеными-академиками АН СССР И.Е.Таммом и А.Д.Сахаровым были разработаны решения, позволившие удерживать плазму в магнитном поле, не допуская соприкосновения с реактором, которое работало на основе мощных электромагнитов. Но известна и другая проблема токамака – это повышение его энергетической эффективности наряду со снижением его стоимости для привлечения инвестиций в инновационные разработки!

Термоядерные энергетические установки, основанные на реакции синтеза легких ядер являются чрезвычайно перспективным направлением, позволяющим решить многие проблемы современной энергетики, в том числе экологические. Начатые в середине прошлого века исследования в сфере термоядерного синтеза продолжаются до сих пор. Известен новый тренд в оценке деятельности компании с точки зрения соответствия ESG-критериям (Environmental, Social, Governance). В этой связи повышается уровень востребованности в мировом сообществе «Зеленой энергетики», а, следовательно, и актуальность промышленного использования токамаков. Напомним, при использовании реакции синтеза Дейтерия и Трития D + T = He4 (3,6 МэВ) + n (14 МэВ) выделяется 17,6 МэВ энергии при температуре 10–15 кэВ. Реакции слияния ядер дейтерия с приблизительно одинаковой вероятностью проходят по двум каналам: D + D = He3 + n и D + D= T + Н c выделением в каждом акте синтеза 3,25 либо 4 МэВ энергии. Образовавшееся ядро Трития вступает в реакцию D + T = He4 (3,6 МэВ) + n (14 МэВ). Таким образом, суммарный эффект реакций в дейтериевой плазме выражается реакцией 5D= He3+ He4+n+24,85 МэВ. Однако для протекания реакций с ядрами дейтерия требуется гораздо большая температура – около 100 кэВ. Нейтрон, образовавшийся в результате реакций, впоследствии может быть использован для наработки делящихся материалов в гибридных реакторах. Запас легких ядер практически неограничен, поскольку содержание дейтерия составляет 0,015% от количества водорода в морской воде, что повышает уровень применимости инновационных технологий в сфере энергетики в России и за рубежом.

Реакции синтеза протекают при высоких температурах более 10 кэВ, поскольку для слияния ядер необходимо преодолеть силы кулоновского отталкивания. Вещество при таких температурах находится в состоянии плазмы – четвертом агрегатном состоянии вещества, образуемым сильно нагретым ионизированным газом, состоящим из электронов и ионов. Необходимость изоляции плазмы потребовала разработки специальных устройств – магнитных ловушек, которые позволили бы достаточное длительное время удерживать плазму. Были исследованы различные типы магнитной изоляции плазмы от простых ловушек, в которых заряженные частицы отражаются от так называемых «магнитных пробок», до систем с замкнутыми в определенном объеме магнитными полями. В частности, такой системой является установка с тороидальным магнитными полем – токамак.

В год 120-летия со дня рождения Великого советского Ученого И.В.Курчатова следует еще раз напомнить, что исторически первым тороидальным устройством для удержания плазмы явилась установка Т-1, сооруженная в Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова в 1958 году. К середине 1960-х годов результаты, полученные на установках типа токамак, непрерывно улучшались. Конструкция установок постепенно видоизменялась с целью их усовершенствования. На начальной стадии применялись керамические, стеклянные или кварцевые разрядные камеры, и загрязнение плазмы примесями приводило к значительному снижению температуры плазмы. После того как начали применять вакуумные камеры с тонкими металлическими оболочками, которые позволили существенно снизить количество примесей за счет предварительного прогрева, результаты стали более обнадеживающими. Дальнейшие усилия были направлены на повышение устойчивости плазменного шнура за счет коррекции магнитных полей, вызывающих неконтролируемые смещения плазменного витка в камерe.

К концу 1960-х годов в СССР были завершены еще два проекта токамака: ТМ – 2 в 1965 году и Т – 4 в 1968 году. Построенные установки продемонстрировали существенное улучшение результатов. Магнитное поле достигает величины 3,8 Тл, увеличивается малый радиус тороидальной камеры до 20 см, ток в плазме достигает 140 кА, время удержания 70 мс, а температура электронов увеличилась до 1000 эВ. Эти результаты, по крайней мере, на порядок (в 10 раз) превышали показатели других систем магнитного удержания. Все это способствовало росту интереса к токамаку как наиболее перспективной системе магнитного удержания плазмы. В 1975 году был запущен токамак Т-10, размер тороидальной камеры составил 39 см, а магнитное поле достигло величины 5 Тл!

Еще одно направление совершенствования конструкции и эффективности исследований связано с использованием сверхпроводящих обмоток тороидальных магнитов, что является необходимым условием эффективной работы термоядерных энергетических установок. Первый опыт применения сверхпроводящей магнитной системы был получен при проектировании и эксплуатации установки Т – 7. Установка, близкая по параметрам к исследовательской установке Т – 10, предназначена также и для интенсификации экспериментальных исследований, поскольку по условиям охлаждения интервал между импульсами составляет 15-20 минут. К основным особенностям конструкции сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титанового сверхпроводника первого токамака можно отнести циркуляционную систему охлаждения обмоток жидким гелием, использование криостата тороидальной формы, внешнее расположение обмоток.

В 1988 году был в запущен токамак Т-15 с круглым сечением плазмы (большой радиус 2 м 43 см и малый радиус 78 см), на котором были продолжены эксперименты, начатые на установке Т – 7. Дальнейшие эксперименты в нашей стране были продолжены на токамаке Т-15. Сверхпроводящая обмотка тороидального поля была выполнена на основе сверхпроводника ниобий – олово с циркуляционным охлаждением. На установке были усовершенствованы технологии создания сверхпроводящих магнитных систем большого объема. Примерно в это же время во Франции был запущен токамак Tore Supra, приблизительно тех же параметров. Обе установки впервые продемонстрировали возможность применения сверхпроводящих магнитов для исследований термоядерной плазмы.

В начале 1970-х годов в Принстоне при проведении исследований была предложена D-образная форма тороидальных катушек, которая позволяет уменьшить силу взаимодействия на внутренней части тора. Одной из первых установок, применивших D-образную форму плазменного шнура, была установка JET, проработка конструкции которой началась в 1973 году, а эксплуатация началась в 1983 году. После этого конструкция установки Doublet III была переработана в конструкцию с D-образным поперечным сечением. Такая же форма была выбрана и для японского токамака JT-60. С тех пор эта схема стала в значительной степени универсальной. Еще одно преимущество D-образной формы связано с созданием специальных устройств – диверторов, которые позволяют удалять тяжелые элементы из реактора и тем самым уменьшать потери энергии с излучением.

К началу 1990-х годов сочетание этих и других характеристик в совокупности породило концепцию «усовершенствованного токамака». Этот подход принят за основу во всех современных установках токамак, в том числе и на сооружаемом ИТЭР. Сверхпроводящие магнитные системы сегодня используются для создания магнитного поля в токамаках с малым радиусом около 0,7 м и аспектным отношением R/a равным 3 – 5. Некоторые установки с малым аспектным отношением R/a<2 и вытянутостью b/a ~1,7 – 3 получили название «сферических торов», которые демонстрируют существенные преимущества торов с малым отношением R/a в части устойчивости плазменного шнура, естественной вытянутости в вертикальном направлении k ∼ 2. Эти преимущества, подтверждённые на первых установках, подтолкнули работы по разработке и созданию нового поколения токамаков. Сферические токамаки дают возможность осуществления термоядерных реакций за счет создания термоядерных источников нейтронов. Среди всего многообразия сферических токамаков отметим токамак Глобус-М, который был построен в ФТИ имени А.Ф.Иоффе РАН в 1999 году. Малый радиус плазмы a=0,24 м, тогда как большой радиус тора составлял всего R=0,36 м! Вертикальная вытянутость составляет от 1,0 до 1,8. Тороидальное поле составляет 0,38 Тл. Установка предназначена для исследований плазмы при малых аспектных отношениях R/a = 1,5, при больших токах плазмы и низком магнитном поле.

Нельзя не упомянуть всемирно-известного Ученого, академика АН СССР и РАН, первого академика-секретаря Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, почетного президента НИЦ «Курчатовский институт», полного кавалера ордена «За заслуги перед Отечеством», Героя Социалистического Труда и Героя Труда Е.П.Велихова: под его руководством в Российской Федерации продолжается разработка концептуального проекта токамака с высоким магнитным полем. Величина магнитного поля на оси плазмы в устройстве составляет около 8 Т. Максимальное поле на обмотке катушек тороидального поля составляет около 15 Т. Создание сильного магнитного поля в ограниченном пространстве устройства типа токамака с заданным соотношением сторон -R/a = 3,77 (R=2,15 м - большой радиус токамака, а a=0,57 – «радиус» плазмы) приводит к значительному увеличению инженерной плотности тока в катушках тороидального поля. Соответственно увеличиваются механические напряжения в магните. Приемлемыми с технической точки зрения для защитной выработки энергии являются значения максимального электрического напряжения -Umax+/-5 кВ и температуры в «горячей точке» - Tmax220 К. Кроме того, необходимо минимизировать тепловые потери в стационарном режиме работы токамака, которые существенно зависят от количества токоподводов, используемых в тороидальном магните. Очевидно, что в каждом конкретном случае эта задача решается индивидуально.

Рассматривая проблематику применения сверхпроводников в магнитном поле, а также сверхпроводящих композитов и критических параметров сверхпроводников, необходимо отметить, что релаксация намагниченности сверхпроводников зависит от величины потенциала центров пиннинга. При центрах сильного пиннинга (энергия активации ) предполагается логарифмическая зависимость энергии активации крипа потока от плотности тока. Кроме того, вихревая структура в сверхпроводниках может испытывать различные неустойчивости, в том числе термомагнитную неустойчивость. Особенно большое значение это имеет для высокотемпературных сверхпроводников. Описанные явления отрыва вихрей от центров пиннинга и их перемещения по сверхпроводнику, сопровождаются выделением джоулева тепла и локальным повышением температуры. В случае достижения значений критической температуры в сверхпроводнике будут появляться участки нормальной фазы. При недостаточном охлаждении выделение тепла на одном таком участке сверхпроводника повлечет повышение температуры близлежащих областей и их возможный переход в нормальное состояние. Такой процесс распространения нормальной фазы может приобретать лавинообразный характер с переходом всей сверхпроводящей магнитной системы в нормальное состояние с выделением запасенной энергии в виде теплоты. Мощность тепловыделения может приводить к разрушению сверхпроводимости и возникновению аварийных ситуаций. В связи с этим возникает понятие стабилизации сверхпроводника. Стабилизация определяется как система защитных мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения нормальной зоны или на предотвращение распространения этой зоны по токонесущему элементу. Выделяют методы тепловой и внутренней стабилизации. Тепловая стабилизация направлена на исключение распространения нормальной области по магнитной системе вне зависимости от причин, вызвавших ее появление. Для этого сверхпроводник шунтируется обычным металлом с большими значениями теплопроводности и электропроводности (например, медь). Таким образом, в случае перехода участка сверхпроводника в нормальное состояние ток станет протекать по медной матрице. Это обеспечивает возможность возвращения сверхпроводника в сверхпроводящее состояние. Внутренняя стабилизация сверхпроводника направлена на предотвращение повышения его температуры до критической в результате тепловыделения, обусловленного скачком потока при токе меньше критического тока. Ряд технических решений определил конструкции современных сверхпроводящих проводов: они представляют собой композит, состоящий из нормального металла (матрицы) и сверхпроводящего материла. Соотношение сверхпроводящего материала и нормального металла и их расположение определяется практическим применением провода. Наиболее распространенной конструкцией является многожильный композит, в котором волокна (жилы) сверхпроводящего сплава распределены в виде регулярной структуры в матрице из нормального металла. Роль матрицы состоит в обеспечении тепловой и внутренней стабилизации сверхпроводника. Производятся одножильные и многожильные провода различных диаметров. Одножильные провода обычно используются в слаботочных приложениях. Для создания магнитных систем используются многожильные провода, имеющие больший критический ток. Имеются специальные применения (например, тепловые ключи), требующие проводов с большим сопротивлением матрицы. В этом случае вместо меди используется мельхиор. Имеются более сложные конструкции проводов с добавлением высокоомного сплава вокруг сверхпроводящего волокна. Такая конструкция приводит к снижению потерь в переменном магнитном поле. Например, для импульсных магнитов изготавливаются провода с матрицей из меди и мельхиора: сверхпроводящее волокно окружается оболочкой из мельхиора, остальная матрица делается из меди. Технология производства проводов из Nb3Sn предполагает наличие диффузионного барьера из тантала или ниобия, защищающего медь от диффузии олова при термообработке.

Рассматривая проблематику разработки токамаков, нельзя не упомянуть всемирно-известного Ученого, академика АН СССР и РАН, президента АН СССР (1975-1986) А.П.Александрова: именно при нем были сформированы научные школы, которые продолжили успешные работы, в т.ч., в сфере разработки токамаков. Немалую роль в них играют ленточные композиты – рассмотрим их на примере ВТСП лент. Ленты имеют многослойную структуру, состоящую из металлической подложки, буферных слоев (предотвращающих химическое взаимодействие между подложкой и ВТСП и обеспечивающих кристаллографическую структуру сверхпроводника), сверхпроводящего материала, покрывающего слоя (обеспечивающего электрический контакт и защищающего сверхпроводник от внешней среды), стабилизирующего слоя для электрической стабилизации ленты (при необходимости) (толщина и вид слоя (наносимый поверх покрывающего слоя или вокруг всей ленты) определяется требованиями по применению). Такой вид сверхпроводящей ленты обусловлен следующими особенностями ВТСП. Прежде всего, материал является хрупким, поэтому применяются тонкие пленки на гибких металлических подложках, а нанометровые нарушения кристаллической структуры сверхпроводника приводят к снижению величины критического тока. Хорошие характеристики обеспечиваются монокристаллической структурой REBCO, т.е. материал должен иметь двухосную структуру с очень небольшим разбросом ориентации зерен. Для достижения такой структуры используется буферный слой, создаваемый специальными методами напыления. Кроме того, при повышении критического значения тока возникающее сопротивление материала приводит к нагреву сверхпроводника и его возможному разрушению. Для стабилизации используется слой меди, параметры которого определяются конкретным применением. Медь также служит для улучшения механических свойств и защиты сверхпроводника. Несмотря на то, что известно несколько тысяч сверхпроводников, только единичные из них нашли промышленное применение. Возможность использования того или иного материала определяется как свойствами материалов (главным образом, их критическими параметрами), так и стадией промышленного освоения. На выполнение всех этапов научно-исследовательских работ, включающих в том числе работы по повышению значений критического тока, отработке технологии изготовления провода в матрице, отработке технологии изготовления многожильного провода необходимой длины и сечения, как правило, требуется несколько десятков лет. Так с открытия сверхпроводящих свойств Nb3Sn в 1961 году до применения при промышленно производстве магнитов прошло два десятка лет!! К настоящему времени лишь несколько материалов успешно прошли все эти стадии, позволившие в конечном итоге начать производство проводов и использовать их для производства магнитов. При создании сверхпроводящих магнитов практическую значимость, прежде всего, имеют следующие критические свойства сверхпроводящих материалов: температура (Tc), магнитное поле (Bc), плотность тока (Jc). Эти взаимосвязанные между собой параметры определяют критическую поверхность в координатах T, B, J. Сверхпроводящее состояние сохраняется в области, ограниченной критической поверхностью и координатными плоскостями.

Выводы и рекомендации:

В год трехсотлетия РАН целесообразно проведение в Москве широкого спектра форумов, конгрессов, симпозиумов и ассамблей по различным направлениям развития науки с участием российских и иностранных ученых. В условиях экономических ограничений необходима точечная корректировка отечественной законодательной базы для ее гармонизации с международной: правовые пробелы и внутренние и внешние противоречия в текстах нормативно-правовых документов являются недоработками, сдерживающими привлечение инвестиций и наращивание объемов капиталовложений в экономику России.

Российские ученые проводят широкий спектр фундаментальных и прикладных научных разработок в различных сферах, в т.ч., по созданию перспективных источников энергии. В научной кооперации академических институтов и промышленных предприятий принимают участие как отечественные, так и зарубежные специалисты. В цикле работ участвуют как ученые младшей и средней возрастной группы, так и их известные старшие коллеги, имеющие достижения не только в научной, но и в спортивной сфере: например, соавтор данной публикации – абсолютная чемпионка мира и Европы по тхэквондо!