Как устроена накопительно-распределительная система у первой импульсной электростанции ядерного синтеза
Американская компания Helion Fusion, которая по контракту с корпорацией Microsoft строит энергоблок импульсного ядерного синтеза Polaris, поделилась некоторыми сведениями об устройстве его электрической части.
Проводя параллели с классическими двигателями внутреннего сгорания, можно сказать, что компания Helion Energy создаёт не газовую турбину, а поршневой агрегат. Если конкурирующие токамакостроители ориентируются на постоянное поддержание реакции синтеза в «бубликах», то Helion в своём линейном реакторе организует импульсный режим. Рассказываем крайне упрощённо. Электромагниты будут резко сжимать плазму (поршень сжимает топливную смесь) для запуска реакции. После этого давление плазмы превышает магнитное давление. Плазма расширяется (горящая топливная смесь толкает поршень обратно). В этот момент электромагнит переходит в генераторный режим, выдавая импульс энергии во внешнюю цепь (шатун передаёт энергию коленчатому валу). Энергия уходит по электрической цепи, поэтому плазма остывает. Далее цикл повторяется. Таким образом отвод энергии от реактора ядерного синтеза и тонкое управление им превращается из технической задачи в электротехническую.
Рядом с ядерным реактором компания размещает огромные батареи высоковольтных конденсаторов (30–40 кВ), которые будут поглощать мощные электрические импульсы и распределять энергию по потребителям с помощью полупроводниковых ключей. Часть энергии будет запасаться на следующий цикл работы реактора (собственные нужды электростанции). Пока одни конденсаторные батареи заряжаются от реактора, другие разряжаются в нагрузку. При запуске реактора энергии потребуется больше, чем при работе, поскольку нужно будет предварительно ионизировать и разогреть газ в камере.
Конденсаторное накопительно-распределительное устройство обслуживает несколько ядерных реакторов и обладает избыточностью. Скажем, из шестнадцати конденсаторных батарей четыре или восемь будут находиться в горячем резерве, что обеспечит необходимую отказоустойчивость. Главный инженерный вопрос здесь – минимизировать потери энергии в кабелях между электромагнитами вокруг реакционных камер и накопительными конденсаторами, где импульсные токи измеряются в килоамперах. Одновременно нужно оптимизировать топологию для снижения вероятности дуговых разрядов.
Когда инженеры компании выбирали архитектуру распредустройства, остановились на децентрализованной схеме, которую проще обслуживать, ремонтировать и наращивать. Соответственно, схемы управления накопительно-распределительным устройством тоже будут децентрализованными – наподобие узлов интернета.
Накопительные конденсаторы заряжаются до напряжения в десятки киловольт, а схемы измерения, контроля и управления питаются низким напряжением (единицы вольт). Компания решила отказаться от громоздких трансформаторов напряжения. Вместо них применена технология беспроводной зарядки гаджетов, уже достаточно зрелая. Для преобразования высокого напряжения в низкое и одновременной изоляции высоковольтных цепей от низковольтных применены катушки, разделённые диэлектриком.
Как отметил главный электротехник компании, в реакторе используется обращённая конфигурация поля (Field-Reversed Configuration, FRC), известная своими стабилизирующими свойствами. Предлагаем читателю посмотреть видеофрагмент с объяснениями от специалистов Helion Energy.
Как обычно бывает, программа распознавания голоса на английском языке справилась со своей задачей не идеально, а автоматический перевод на русский добавил ляпов. Например, килоджоули прекратились в килограммы. Тем не менее, по субтитрам можно понять, о чём идёт речь.
Вполне вероятно, что специалисты Helion Energy много чего не договаривают. Существует ряд способов кардинально снизить температуру, необходимую для ядерного синтеза. Один из таких способов – организовать в плазме лазер на свободных электронах или ионах, то есть превратить хаотическое ионно-электронное месиво (где столкновения ядер случаются редко из-за разнонаправленного движения) в упорядоченное. Другой способ – организовать возбуждение плазмы СВЧ-излучением и подобрать частоту, чтобы столкновения ядер происходили чаще. В обоих случаях используется явление резонанса, характеризуемого коэффициентом добротности. Плазма обладает отличной проводимостью, так что коэффициент добротности может быть очень высоким. Результат – импульс движения ядер увеличивается гораздо проще, чем путём повышения температуры плазмы. Ядрам становится легче преодолеть взаимное кулоновское отталкивание. Другими словами, сверхвысокие температуры для ядерного синтеза не обязательны. Разогрев плазмы до миллионов градусов в надежде получить самоподдерживающуюся реакцию – это, видимо, наиболее примитивный подход.
Теги: как выглядит распредустройство электростанции импульсного ядерного синтеза, инженерные решения для управления плазмой и отбора энергии, проект Helion Energy для Microsoft, будущее энергетики, на заре эпохи гиперновизны.
______________________________
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.