На правах рукописи УДК *621.039
Филатов Олег Геннадиевич
Расчётные, проектные и технологические разработки термоядерных установок и реакторов типа токамак
Специальность:
01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки
Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук в виде научного доклада
Москва
2009
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно - исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефрсмова», г. Санкт-Петербург.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Кейлин Виктор Евгеньевич
Российский научный центр «Курчатовский институт»
доктор физико-математических наук, профессор Коврижных Лев Михайлович Учреждение российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
доктор физико-математических наук, профессор Овсянников Дмитрий Александрович Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-петербургский государственный университет» (СПБГУ),
Ведущая организация:
Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований
2009 г. в
часов на заседании
Защита диссертации состоится “__________”_________
Диссертационного совета Д 520.009.02 при Российском научном ’ центре “Курчатовский Институт” по адресу: 123182, Москва, площадь ак. Курчатова, д. 1
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке РНЦ “Курчатовский институт”
Диссертация в виде научного доклада разослана
«( »*
2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.
А.В. Дсмура
2
Содержание
Общая характеристика работы
Основное содержание работы
1. Расчетные методы
1.1 Синтез системы полоидального поля токамаков
1.2 Моделирование переходных электромагнитных процессов в элементах токамаков
1.3 Синтез и расчет магнитных систем электрофизических устройств
2. Проекты
2.1 Экспериментальные установки типа токомак
2.2 Нейтронные источники на основе токамаков
2.3 Экспериментальные реакторы-токамаки
3. НИОКР
3.1 Магнитная технология
3.2 Первая стенка и дивертор
Заключение
Список работ, опубликованпых по теме диссертации
Общая характеристика работы. Актуальность темы диссертации.
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 экологичностью 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 ОТР, в США -FED, 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. Общносгь интересов и стремление снизить затраты для каждой из сторон привели, по инициативе СССР, к объединению усилий сначала в рамках проекта ИНТОР, а затем, в 1988г., по проект}' ИТЭР. который разрабатывали специалисты из России, Японии, стран Евратома и США. В результате в 2001г. впервые был разработан детальный технический проект экспериментального ТЯР и осуществлен цикл уникальных НИОКР в его обоснование. В ноябре 2006г. подписано
3
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 ДБ МО 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 Г-15М.
В настоящее время наиболее актуальными являются проблемы, связанные с практическом реализацией экспериментальных ТЯР и сконцентрированные вокруг проекта ИТЭР. В силу сложности геометрии реакторов-токомаков, 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 ГІИОІСР 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, и' 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 н практическая ценность
1. Разработан комплекс расчетных методик и вычислительных программ для численного моделирования энергоемких и энергонапряженных систем реакторов-токамаков.
2. Выполнены проектные проработки реакторов (ОТР, 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
4
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-1 ОС, Т-15, ТС1І, GLOBUS-M, VNS, КТМ, ОТР, ИНТОР, ИТЭР, данными, полущенными 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 Совстско-Американском семинаре «Синтез -Деление» (Москва, 1977г.); 4-м заседании Технического Комитета МАГАТЭ и Совещании по проектам технологии термоядерных реакторов (Ялта, 1986г.); 1-м и 4-м Симпозиумах по технологии ядерного синтеза (Токио, 1988г., 1997г.); Американских симпозиумах по термоядерной инженерии* (12 IEEE/NPSS, Монтерей, 1987г., 17 IEEE/NPSS, Сан-Диего, 1997г.); 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, 1990г., Севилья, 1994г.); 17-й конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии (Йокогама, 1998г.); международных конференциях по магнитной технологии МТ (МТ-12, 1991г., СССР; МТ-15, 1997г., КНР; МТ-16, 1999г., США; МТ-17, 2000г., Швейцария; МТ-18, 2003г., Япония); многочисленных международных совещаниях по проекту ИТЭР (1989-2001гг., ФРГ, США, Япония), представлены в ведущих отечественных н 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 Opérations, NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH Section A, Fusion Engineering and Design, IEEE Transactions on Magnetics, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Cryogénies, 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.
5
- Київ+380960830922