Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает.
В прошлых постах мы договорились строить термоядерный реактор (см. здесь). Штука получилась довольно мощная, от сотни мегаватт и выше. Как выглядят самые продвинутые на сегодня термоядерные бублики ловушки, показано в посте про токамаки (тут). Общий их смысл в том, что полностью ионизированная плазма удерживается в магнитном поле, свёрнутом в тор. Концов у тора нет, поэтому сквозь них не улетает ни вещество, ни энергия.
Если так, куда могут деться те самые сотни мегаватт?
Краткий ответ: они создают проблемы.
На рис. 1 показан схематичный токамак. Силовые линии, что начинаются внутри красной области («Core plasma»), возвращаются в неё же. Частицы на этих линиях живут долго, сталкиваются между собой, производят энергию: в общем, делают всё то, что мы хотим.
Силовые линии, идущие в жёлтой области СОЛа («SOL», scrape-off layer), через несколько оборотов утыкаются в покрашенные голубым цветом кирпичи. Всё, что здесь оказывается, быстро улетает вдоль силовых линий и поглощается стенкой [1].
Представьте себе леммингов, танцующих на вершине небоскрёба. Те, что в середине, дрейфуют от лемминга к леммингу, находят себе друзей и подруг-леммингов, выделяют тепло — и, по своим меркам, живут долго.
Стоит леммингу добраться до самого края — и он почти мгновенно, не сказав «ПИ» ни одной живой душе, уходит из системы и уносит всю энергию с собой (рис. 2, [2]).
В строящемся (самом большом) токамаке ИТЭР сборка дивертора, принимающего на себя весь поток леммингов мощности, выглядит так [3]:
И составлена из кассет. Десятитонных, больше человеческого роста.
Проблемы начинаются из-за того, что полоска леммингов у основания небоскрёба оказывается очень узкой. Частицы, покинувшие область удержания, уносятся на стенку слишком быстро и не успевают растечься слишком далеко от границы СОЛа. Для масштабов ИТЭРа сто мегаватт непрерывно вылетают в две кольцевые полоски шириной чуть больше миллиметра и длиной по сорок метров. Перемножив эти числа, можно получить плотность мощности около гигаватта на квадратный метр.
Это примерно 10000 станков для лазерной резки, нацеленных в одну точку. Материала, который бы выстоял под такой нагрузкой, не существует.
Чтобы дать стенке какой-то шанс, её наклоняют под острым углом к набегающему потоку. Это позволяет подставить под падающих леммингов в тридцать раз бо́льшую площадь, и настолько же снизить удельную нагрузку (на рисунке: пункты 3 и 7, встречающие красный поток [4]):
Чтобы как-то размыть узкую полоску леммингов, перед стенкой можно создать завесу из газа. Плазма, сталкиваясь с газом, излучит часть энергии в свете, который будет прогревать камеру более-менее равномерно. И — что полезно — поток плазмы сдует газ обратно к стенке, не дав ему добраться до центральной области удержания. Лемминги на вершине небоскрёба не пострадают. На фотографии углерод высвечивает энергию перед стенкой токамака TCV [5]:
Прочие геометрические ухищрения и частично обоснованные надежды позволяют говорить о потоке мощности в духе 10 МВт/м². Это сто лазерных резаков в каждой точке, но с этим уже можно как-то пытаться жить.
Материалов, достаточно тугоплавких для приёма такой мощности, мало. Тугоплавких материалов, мало-мальски пристойно ведущих себя в интенсивном нейтронном излучении и при наличии радиоактивного трития, ещё меньше. По большому счёту, список сужается до одного вольфрама (про него подробно рассказал многоуважаемый @Mircenall).
Вольфрам, волчара, мог бы вынести такие нагрузки, если бы ими всё ограничивалось. Но токамаки с транспортными барьерами (см. подпорные стенки в четвёртом посте) любят за миллисекунду выполнять секундную норму поставки энергии в дивертор. Такие события называются ЭЛМами (ELM, edge-localized mode). Если на пальцах — подпорная стенка ненадолго проседает, и всё, что было над ней насыпано, вылетает наружу. Во всё те же два тонких колечка.
Борьба с ЭЛМами — одна из наиболее активно решаемых сейчас задач. Потому что нагрузка, эквивалентная ЭЛМу, делает с чертовски тугоплавким и чертовски высококипящим вольфрамом вот такое [6]:
Да, это разлетаются капли закипевшего вольфрама. Вот ещё:
Даже если тепловая нагрузка будет не настолько высокой, и поверхность вольфрама не расплавится, тепловой удар с быстрым нагревом и охлаждением приводит к трещинам на поверхности [7]:
А уже края трещин, оторванные от металла, перегреваются и плавятся.
Ситуация выходит довольно напряжённой. Чтобы вольфрамовые плазмоприёмные пластины ИТЭРа работали без разрушений, за ближайшие 10 лет нужно научить токамак не плеваться энергией и выдавать спокойный широкий поток плазмы. Использовать получится только те режимы, где крупных ЭЛМов действительно не будет. Другими словами,
Есть другой выход.
Ваша стенка не расплавится, если она уже расплавлена. Поверхность можно покрыть легкоплавким, но тяжелоиспаряемым металлом. Например, литием (привет токамаку Т-11М). В повреждённые импульсной нагрузкой места литий затечёт сам. Можно лить по твёрдой стенке тонкую плёнку, можно пропитывать литием вольфрамовую вату [8]:
Литий создаёт свои проблемы, от него сложно избавиться, если он попал в плазму...
Но, как минимум, такое решение изящно.
Источники иллюстраций:
[1] https://www.york.ac.uk/physics/ypi/research/divertor/
[2] http://comicsia.ru/collections/nichtlustig/2/tags/%D0%BB%D0%...
[3] https://www.iter.org/mach/Divertor
[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092037961...
[5] https://www.differ.nl/research/plasma-edge-physics-and-diagn...
[6] https://indico.inp.nsk.su/event/5/session/4/contribution/60
[7] http://www.inp.nsk.su/press/novosti/1874-uchenye-smodelirova...
Ваша плазменная пушка не стреляет: что делать?
Самый важный метод поиска неисправностей в уникальном оборудовании — раскрутить и посмотреть глазами. Начинаем:
Корпус (нержавейка) возле катодной сборки изъеден разрядом и запылён металлическими хлопьями. Неприятно, но не должно на что-то влиять.
Позади катода следы дуг. Вот такие снежинки на поверхности:
Подбираемся к аноду. Стальной корпус возле изоляторов местами оплавлен. Похоже, временами изоляторы пробивались со всеми положенными спецэффектами.
А вот и задняя поверхность анода. Не очень подходящий цвет для меди.
Керамические изоляторы. Судя по цвету — запылены нержавейкой.
Такое поведение недостойно уважающего себя изолятора!
(Не является рекламой мультиметров Pluke)
В общем, первичный диагноз ясен. После пяти тысяч выстрелов пушку нужно чистить.
Керамику протравливаем кислотой:
Корпус обшиваем молибденовой фольгой:
Что можно почистить — чистим высокотехнологичной наждачкой:
Что оплавлено — оставляем как есть:
Собираем обратно:
Возвращаем на место.
Здесь можно видеть две руки ответственного старшего научного сотрудника, занимавшиеся сборкой-разборкой. Руки других научных сотрудников разного возраста и лаборантов, применённые к пушке при чистке, условно не показаны.
Архивное, двухлетней давности: пушка в сборе и катодный узел.
Ps. Каюсь перед подписчиками — пропал! Зажал рассказ о плазме и том, что она делает с подвернувшимися тугоплавкими металлами. У этого прискорбного факта масса причин, от очередной Звенигородской конференции до постройки скворечников.
Ну, и сборка-разборка пушки.
Обещаю исправиться.
Pps. Большое спасибо попутчику с рейса 177 Москва–Новосибирск за книжку. Первые главы выглядят многообещающими.
Изготовление плазменных двигателей в России
Гигантские звездолеты с призрачно светящимися двигателями стали одним из постоянных атрибутов космической фантастики. В то же время плазменные двигатели уже полвека успешно используются в настоящей космонавтике, и российские разработчики являются одними из мировых лидеров. Мне удалось посетить калининградское предприятие «ОКБ Факел» и увидеть, как создаются стационарные плазменные двигатели.
Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».
У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с. Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.
О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности. В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.
В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.
После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.
Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.
Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.
На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений.
Молодые работают рядом с опытными специалистами.
Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.
Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.
— В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда.
Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.
Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.
В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.
Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.
Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».
На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.
Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.
Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.
Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.
За каждым столом собирается по двигателю.
Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.
Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.
Зато в результате получаются вот такие красавцы.
Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.
Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.
Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.
Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.
Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхность двигателя под воздействием плазмы.
Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.
Хотелось бы приурочить эту публикацию к Дню космонавтики, чтобы не на словах, а на примере «ОКБ Факел» показать, что у нас есть космос, надо просто уметь его готовить.
Выражаю признательность пресс-службе и сотрудникам «ОКБ Факел» и компании «Аскон» за большую помощь в подготовке материала.
Условия труда на заводе.
Это работа плазморежущего станка, вот только о вентиляции в цеху как-то забыли.
Как набрать плазму в шприц? Естественно, через гвоздь!
Небольшое пояснение от профана: в шприце заткнутом гвоздём, за счёт вытягивания поршня создаётся разрежение. И в этом пространстве внутри шприца возникает устойчивый коронный разряд в пределах электрического поля наведённого катушкой высокого напряжения.
Меряем мир в сосисках!
Пройдя этот тест, вы узнаете, сколько нужно сосисок, чтобы спуститься по ним на дно Марианской впадины. А еще сколько их можно съесть, пока длится самый долгий в мире поцелуй. Не пропустите!