התפקיד הקריטי של Cryogenics ב-Premecocreive Fusion

אנרגיה Fusion מבטיחה מקור אנרגיה בטוח, שופע ונמוך פחמן, אך השגת ייצור חשמל חיובי נטו דורשת תנאים קיצוניים. in tokamaks ו stellarators, פלזמה מחומם למעל 150 מיליון מעלות צלזיוס בעודו מוגבל על ידי שדות מגנטיים חזקים.תחומים אלה נוצרים על ידי מגנטים מוליכים על ידי superconducting כי חייב לפעול בטמפרטורות ליד אפס מוחלט - בדרך כלל מתחת 5K (ללא זעקה אמינה, קירור, תכונות קירור אלה, ירידה של מגנטיות גבוהה יותר, ירידה מגנטיות מוליכים את ההשפעות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות , לגרום נזק מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות , מגנטיות מגנטיות , מגנטיות מגנטיות , , , מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות , מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנטיות מגנט

הביקוש של מערכות Cryogenic חזקות גדל במקביל עם עליית פרויקטים בקנה מידה גדול כגון ITER בצרפת, SPARC בארצות הברית, ניסויים לאומיים רבים. פרויקטים אלה תלויים ביכולת לשמור על קירור יציב, מתמשך על פני סלילים מסיביים במשקל מאות טונות. חידושים אחרונים ב Cryocoolers, ניהול כבד, לולאות משולבות, חומרים מדעיים הם ישירות להתמודד עם דרישות טכנולוגיות אלה, להמשיך לבחון את ההשפעות יעילות על עלויות.

יסודות של קירור Cryogenic עבור Fusion מגנטים

מדוע קר קיצוני צריך

רוב עיצובי הכור ההיתוך מעסיקים מוליכי סופר-זמניים (LTS) כגון niobium-titanium (NbTi) ו niobium-tin (Nb3Sn) חומרים אלה עוברים למצב של אפס-resistance רק כאשר קריר מתחת לטמפרטורה הביקורתית שלהם - בדרך כלל סביב 9 K עבור NbTi ו 18 K עבור Nb3Sn בפועל, מגנטים מופעלים על ידי לחץ מגנטי גבוה (K) ו- kligicial) נמוך יותר (K) אשר נוצר תחת לחץ מגנטי נמוך יותר) ו- klidative) אשר נוצר תחת לחץ מגנטי נמוך יותר נמוך יותר (KL2ivdicediced) ו- klidative) ו- klidative) ו-R.

שמירה על טמפרטורות נמוכות כאלה דורשת מערכות קירור מתוחכמות שמניבות חום ממבני מגנטיות.עומסי החום באים ממספר מקורות: קרינת נויטרון וגמא מהפלזמה, המפרקים הנגדיים, הנוכחים, והתנהלות תרמית באמצעות תמיכה מכנית. כור היתוך טיפוסי עשוי לדרוש כמה עשרות קילווואט של כוח קירור ב 4.5K, בתוספת יכולת נוספת עבור מגינים תרמיים ומובילה בטמפרטורה גבוהה יותר (kic) עם צריכת חשמל צמחית, לעתים קרובות, 000.

סוגי המוליכים והדרישות ההקרות שלהם

בעוד LTS מגנטים נשארים את העבודה עבור מכשירי ההיתוך הגדולים של היום, מוליכים סופר-מעבדה גבוהה (HTS) הם צוברים תשומת לב.חומרים כגון תחמוצת נחושת נדירה-earth barium נחושת (REBCO) יכולים לפעול ב-20-40 K, מפשטים את מערכת הקריוגנית ולהפחית את עלויות ההון.

ללא קשר לבחירת המנצח, המערכת הבכינית חייבת להתמודד עם אירועים טרנספורמטיביים כגון הפרעות פלזמה, שבו הדופק חום מהיר יכול לטעון את יכולת הקירור. מערכות בקרה מתקדמות ו buffers תרמיים (למשל, מאגרים גדולים הליום) הם הכרחיים למנוע quenches - אובדן פתאומי של מוליכות העל שמשחררת אנרגיה מגנטית לאחרונה ניטור בזמן אמת וניהול helium שיפר מאוד את שולי מערכות הבטיחות האלה.

פיתוחים חדשים ב Cryogenic Cooling Technology

Cryocoolers for Higher Reliability ו-Lower Vibration

[קריגוריות] הם מכשירים קירור קומפקטיים המספקים קירור ללא צורך צמח helium מבוזר גדול.הם משמשים בניסויים היתוך קטנים יותר, HTS מגנטי בדיקות, וכן גיבוי או יחידות תחזוקה.שני הסוגים המובילים הם הדופק-tube ו-Stirling קריר יותר באותו זמן יש דחיסות דחוסים של דחוסים 1Fitetto דחוסים יותר , אבל יש להם חלקים נעים בראש קר, באופן דרמטי, אבל יש יתרון קריטי עבור יציבות מגנטית יותר מ קומפקטית של 20.

בכורים גדולים כמו ITER, מאות מזמורים עשויים לשמש למגן תרמי, מובילי זרם, ו Cryopumps. Standardization ומודולריות הם המפתח לצמצום עלויות ותחזוקה. עבודה מתמשכת מתמקדת במלחינים המתפתחים שיכולים לרוץ ללא השגחה במשך חודשים, עם אבחון צפוי לדגל כישלונות פוטנציאליים לפני שהם מתרחשים.

Superfluid Helium Systems: Handling He II

כבד Helium (He II) הוא נוזל קוונטי עם מוליכות תרמית ליד-infinite.זה יכול להעביר כמויות גדולות של חום על פני מרחקים ארוכים עם ⁇ טמפרטורה קטנה מאוד, מה שהופך אותו אידיאלי עבור קירור מגנטים גדולים.עם זאת, ניהול הוא השני מציג אתגרים ייחודיים.זה זורם ללא צמיג מיקרוסקופי דרך נקבוביות, ולכן מכילות ומשאבות מיוחדות כולל פיתוח של נוזל-עצמי, שבו הוא משמש את ההשפעה המכנית של צינורות מכנית, ללא צורך, ללא שטף.

עבור ITER, מערכת הליום Superfluid יהיה מגניב את חמשת דונם שדה מודולים.כל מודול מכיל אמבטיה גדולה של He II בערך 1.8 K אשר נשמר על ידי דחוסים קרים ו- Joule-Thomson שסתום. מתקדם שתי מערכות משאבות שלב, שפותח בשיתוף פעולה עם FLT:0CERN של CryogenicsFLT1, הוכיח את היכולת של חימום כולל חום, כמו גם מתחמי חום, כמו גם חום-CK.

מערכות סגורות-Loop Cooling Systems

כור ההיתוך המודרני נעים לעבר מערכות מבוכות לחלוטין, סגורות-פרקודיות המחברות את קירור מגנטי, מגינים תרמיים, וזרם מוביל קירור לרשת אחת מטובעת.אינטגרציה זו מצמצם את דליפות החום, מקטין את מספר קווי ההעברה, וסימולציות שליטה.לדוגמה, העיצוב הבין-מימדוני האירופי משתמש במקרר helium מרכזי המפיץ קירור לכל הרכיבים באמצעות רשת של ריקנים, כלומר, מעבדים, בשלב ראשון של CTS, מעבדים, בשלב ראשון, מעבדים את המקרר C.

האתגרים העיקריים של שילוב כזה הם ניהול טיפות לחץ על פני מרחקים ארוכים ובודד את אזורי הטמפרטורה השונים ללא שליטה חוצה-מערכת.ההתקדמות האחרונה בשסתום אוטומטי, חיישני טמפרטורה Cryogenic (למשל, חיישנים Cernox עם caliation משופר), ובקרת זרימה בזמן אמת הפכה את המערכות האלה חזקים יותר.

חידושים: התנהגות טובה יותר, התרחבות תרמית נמוכה

הביצועים של רכיבים מבוכים תלויים במידה רבה על החומרים המשמשים. Copper, אלומיניום, ו ⁇ ם סטנדרטיים עבור צריחים תרמיים ושקעי חום, אבל הם עוברים התכווצות תרמיות ושינויים בהתנגדות חשמלית בטמפרטורות נמוכות.חומרים חדשים כגון נחושת-diamond מרוכבים ועומס פחמן-inforceedballs מציעים מוליכות תרמית גבוהה יותר ומקדם נמוך יותר של התרחבות תרמית (CTE אלה משמשים כדי להיות מבנים מורכבים כדי להפחית את הסביבה הנוכחית.

תחום נוסף של מחקר הוא בידוד מבוהגאני. ריבוי של ⁇ (MLI) עשוי משינה שכבות של סרטים רפלקטיביים וחללים הוא חיוני למזער את העברת החום.עבודה חדשה הפיקה MLI עם יותר מ 60 שכבות לסנטימטר, המציעה ירידה עומס חום על ידי עד 50% בהשוואה ל- 30 שכבות סטנדרטיות, בנוסף, חדש מבוסס אווירוגל מבוסס בגלימה נבדקים עבור מבנים, לספק כוח מכני נמוך יותר, כי הוא מסוגל להיות מופעל על ידי שימוש יעיל יותר מתפקוד יעיל יותר מתפקוד יעיל יותר מ-ידי מגנטי יעיל יותר.

Cryogenic Systems בביצוע פרויקטים של Fusion

ITER: The Benchmark for Large-Scale Cryogenics

המערכת הצעקנית של ITER היא המורכבת והעוצמתית ביותר שנבנתה אי פעם עבור היתוך.זה כולל מקרר הליום (הקופסא הקרה) המספק קירור ב 4.5 K, 1.8 K (על-השפעה), ו 80 K. המקרר משתמש בסדרה של שלבים טורבומפרס וטורבינה הרחבה כדי להשיג כוח קירור מוחלט של 65 קילוואט ב 4.5K ו-2.5 קילו-K זה כולל גם סדרה של חנקן-קו-קו-ק כדי להפחית את שלב הטמפרטורות מוצלח של חנקן- 30 שנים רצופות.

הצוות הבכיוגאני של איסטר חלוץ את השימוש ב"מפיץ קר" - משאבות הפועלות בטמפרטורות Cryogenic כדי להניע את הליום העל-השפעה באמצעות מגנטים.המפיצים האלה חייבים להתמודד עם המאפיינים הייחודיים של ה-II, כולל רגישות נמוכה מאוד ורגישות גבוהה למזהמים.

SPARC ו-Common High-Field Reactors

SPARC, שפותחה על ידי חברת CIS Fusion Systems בשיתוף עם MIT, משתמשת במגנטים HTS שנעשו מקלטת REBCO. המגנטים פועלים ב-20 K, ומאפשרת שימוש בכובשים פשוטים ויעילים יותר במקום צמח כבד הליום גדול.המערכת הבכיוגנית עבור SPARC מיועדת להתאים בתוך נפח קומפקטי ולספק קירור אמין עבור 12 toroidal coils ו קיבולת של 2 מפונקאלית לכל אחד מהם יש לו כ קיבולת קירור של 15 קילו.

אחד החידושים המרכזיים ב- SPARC הוא השימוש ב"רובות עוריות" – קווים גמישים, ואקום מבודדים המחברים את הצעקנים למגנטים עם דליפת חום מינימלית.רוב העורבים האלה משתמשים בשכבות סופר-מוליכים-טמפרטורה גבוהות כדי לשאת את הזרם מאספקת החשמל ועד ל סלילים תוך כדי להיות חלק מהמסלול הקירור.

פרויקטים נוספים ומתקנים למחקר

כמה ניסויים קטנים יותר גם לקדם טכנולוגיה זווגנית.הסופרת הקוריאנית הובלת טוקמאק מחקר מתקדם (KSTAR) משתמשת במערכת LTS/HTS היברידית והשגת פעילות יציבה עם 20 K HTS הנוכחי.ה- Wendelstein 7-X ממריצים בגרמניה משתמשת בכבדות בקנה מידה גדול של הייאום עם כוח קירור של 30 קילוואט ב-K עד 70 הקידוד שלה כדי לשפר את הביצועים החיוניים שלה כדי לשפר את הפלסמה.

אתגרים מול מערכות קירור Cryogenic

אנרגיה ויציבות

גם עם מקררים מודרניים, הכוח החשמלי הנדרש כדי לקרר מגנטי ההיתוך הוא משמעותי.עבור ITER, הצמח ה Cryogenic יצרכו כ-25MW של חשמל, כ 5% מהכוח הכולל הדרוש למתקן כוח היתוך מסחרי, השבריר הזה חייב להיות הרבה פחות נמוך - באופן אידיאלי מתחת ל-1% - כדי להיות תחרותי מבחינה כלכלית, שיפור היעילות התרמודינמית של מקררי הליום הוא אתגר מתמשך של המדינה-החלופה של ה-ה לאחור של ה- 30 אחוזים בלבד.

סקלאלה ועלויות

בניית מערכת היתוך עבור כור היתוך כי חייב לרוץ במשך עשרות שנים היא משימה הנדסית גדולה וכספית.העלות של מלאי הליום לבדו יכול להיות עשרות מיליוני דולרים.הייום הוא משאב סופי, ואת המחיר שלה כבר תנודתי. Recycling ומערכות התאוששות יכול להפחית את זה, אבל הם להוסיף מורכבות. עבור כורים מבוססי HTS, עלות של זעקות הוא נמוך יותר, אבל כמו קשקשים סטנדרטיים סטנדרטיים של ציוד ייצור.

אמינות ותחזוקה

מערכות Cryogenic חייבות לפעול עם אמינות גבוהה מאוד כי כישלון יכול להוביל למגנט quench ונזק ל הכור.הזיז חלקים כמו דחוסים וטורבינות הם הפגיעים ביותר. Redundancy נבנה, אבל זה עולה. תחזוקה חיזוי באמצעות חיישנים מתקדמים וניתוח נתונים הופך נפוץ יותר. לדוגמה, ניתוח רטט ו ניטור helium in יכול לזהות מוקדם של מערכות שליטה סובלנית שיכולה לעבור ניתוח ארוך טווח של פעילות קירור זמן לא סדירה.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

מקרר מגנטי בטמפרטורות Cryogenic

קירור מגנטי מנצל את ההשפעה המגנטית: חומרים מסוימים מתחממים כאשר ממגנטים וקרבים כאשר demagnetized. על ידי רכיבה על השדה המגנטי, אפקט קירור מתמשך ניתן להשיג. מקררים מגנטיים פרוטוטיפ כבר הוכיחו קירור מ 20 K עד 4 עם חומרים קריפטוגניים עד 60% של Carnot - יותר מאשר כפול של מחזורי גז קונבנציונליים הם העלות הגבוהה של חומרים ממתכתיים (כמו מגנטיים) כמו חומרים מגנטיים חזקים על ידי מגנטיים חזקים על ידי חומרים מגנטיים (חומרים).

Superconductors and their Impact on Cooling Design

הפיתוח של המוליכים HTS מתקדם במהירות. קלטת REBCO עכשיו לשאת זרמים מעל 1000 A per ס"מ רוחב 20 K, וטכניקות ייצור חדשות הן מורידות עלויות.כפי HTS הופך יותר זול, עיצובי כור היתוך יכולים לאמץ טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר (20 עד 40 K), אשר מאוד מפשט את המערכת ה Cryocoolers יכול להתמודד עם כל קירור ללא צורך מסיבית של נוזל זה כבר יותר של תאים גמישים.

אוטומציה ותיאומים דיגיטליים לפעילות Cryogenic

מערכות בקרה מודרניות מוגדלות עם תאומים דיגיטליים - העתקים וירטואליים של הצמח הבכיאני הפיזי שדמיינו התנהגות בזמן אמת. על ידי שילוב מודלים המבוססים על פיזיקה עם למידת מכונה, מפעילי יכולים לחזות עומסי חום, מהירויות אופטימיזציה, לזהות אנומליות לפני שהם גורמים לכשלונות. לדוגמה, תאום דיגיטלי של מערכת זעקה ITER פותח כי יכול לדמות את התגובה לשיבוש פלזמה, מהנדסים כדי לפתח התאמות יעילות דיגיטלית עבור רצף תסכולים.

מסקנה

ההתקדמות בטכנולוגיות מבוכות עבור מערכות קירור מגנטיות היתוך מאפשרת לדור הבא של כורים ניסיוניים והמסחריים.מממכווצים מתקדמים ו- Superfluid Helium טיפול לולאות משולבות וחומרים חדשים, כל חידוש מביא אותנו קרוב יותר לידע, יעיל, ועלויות אנרגיה היתוך יעיל נשאר בצמצום צריכת האנרגיה, דרוג מערכות, ולהבטיח אמינות לטווח ארוך, אבל קצב ההתפתחות של הטכניקות הוא המשך היתוך.