Источник
Ядерная энергия - LiveJournal.com
22 сентября, 20:21

ИТЭР - прогресс строительства в 3 квартале

  • 0

Сейчас у меня такой завал по работе, что на блог остается мало времени... но ИТЭР я не брошу!В целом апдейты последних 1,5 лет звучат примерно одинаково "продолжнает планомерное движение вперед, в основном в виде строительства". Но смотря на фотографию (ниже) я подумал о том, что основное отличие от 2-3-4 летней давности в том, что над землей торчат как минимум каркасы всех основных зданий, нужных для первой плазмы, не хватает только здания управления, на месте которого сейчас располагается промежуточный склад стройматериалов.Да, вроде ничего особо нового не происходит, но строители свою часть планомерно ведут к завершению. Так, в июле было сдано под начало монтажа оборудования здание предварительной сборки - в принципе готовое еще год назад, и пока все еще без систем вентиляции-кондиционирования, воды и части электричества.Создателям больших (научных) проектов стоит задуматься над крутой архитектурой - стоит копейки, бесценно в пиаре. На фото здание предварительной сборкиВнутри здания предварительной сборки пошел монтаж первого стенда сборки сегментов токамака - крутейшей точной машины весом в ~1000 тонн корейского производства. Собственно первые сегменты на этот стенд встанут в начале 2019 года. Пока же начало работ выгдядит так:Пока стенд в процессе, разумно глянуть на то, что на нем будет на нем собиратся - сегменты вакуумной камеры, криогенные тепловые экраны и магниты тороидального поля (все это ниже)Чуть левее этого кадра продолжается строительства здания токамака. И практически точно в соответствии с планами двухлетней давности (магия Биго?) начинается сооружение опоры токамака - так называемой "короны". Пока, впрочем это сооружение ограничивается ограждением рабочей зоны и сборкой первого магнитного фидера (который будет неизвлекаем из короны)Под этим перекрытием в шахте реактора с октября по февраль будут собирать арматуру и закладные элементы "короны"Криофидер, обеспечивающий передачу жидкого гелия, тока и связи с датчиками на сверхпроводящий магнит полоидального поля PF4, торжественно отправленный из китая в конце июля 2017 года. Именно эта часть криофидера будет неизвлекаемой из бетонной "короны".В целом идет строительство первого-второго надземного этажа. Торчащая арматура на циллиндрической шахте в центре кадра примерно отмечает уровень будущего пола реакторного зала. Собственно этим летом строители отмечали ровно половину пройденного пути по строительству пускового минимума 2025 года.На переднем плане этой фотографии большой зал с 4 позициями под нейтральные инжекторы, - один диагностический NBI индийской разработки, 2 NBI, которые нужны для получения термоядерной реакции высокой мощности и 1 позиция под возможный апгрейд. В картинке (с обратного ракурса) это выглядит так:Постепенно доделывается и электрическая инфраструктураНа переднем плане тут 4 трансформатора и вновьпостроенное здание главного распределительного центра постоянных нагрузок (110 мегаватт, которые в основном будут потребляться системой водооборота и сброса тепла и криокомбинатом) на заднем плане 3 больших трансформатора системы пульсирующих нагрузок (преобразователи сверхпроводящих магнитов, радиочастотный нагрев и нейтральные инжекторы - в общем все, что потребляет только во время плазменного выстрела). Чуть правее трансформаторов строится большое открытое распределительное устройство 66 киловольт и компенсатор реактивной мощности на 750 МВа.Здания для преобразователей, которые будут питать магниты тоже весьма активно строятсяПричем начаты они были всего год назад, а уже через несколько месяцев начнется монтаж оборудования. Оборудование уже приезжает на площадку, пока в основном это такие трансформаторы:От которых будут запитаны вот такие 12-пульсные выпрямителиХорошая, кстати, идея совместить сделать из токонесущих шин конструктив для крепления тиристоров.Рядом последние штрихи перед сдачей под монтаж наносят на здания криокомбинатаКстати, слева от здания продолжается создание площадки под впечатляющих набор газгольдеров, криоемкостей и больших систем, не влезающих в здание (например генератор газообразного азота на базе коротко-цикловой абсорбции производительностью 650 кубометров в час).Это посадочные места под 8 газгольдеров для газообразного гелия (два под возможное расширение) и маленький газгольдер азота (справа). Множество этих элементов разбросаны по площадкам храненияС этой стороны платформы ИТЭР постепенно заканчивается строительство системы сброса тепла - вентиляторных градирен на 1150 МВт (тепловых).По сути это два буфферных бассейна для горячей (слева, более глубокий) и холодной воды (справа, более мелкий), на которых сверху устанавливается насосное оборудование (слева) и вентиляторные градирни (2х5 штук - справа). Монтаж оборудования тут должен начаться весной 2018 года. Вообще, с индустриальными подсистемами у ИТЭР особых проблем пока не видно...Да, в конце августа над площадкой опять летал квадрокоптер и iter.org выпустили классное видеоВ части производства компонентов будущего термоядерного реактора и его подсистем в третьем квартале 2017 тоже есть некоторый прогресс:В частности в квадрокоптерной съемке виден прогресс в области производства полоидальных катушек - готов первый (из 8) штатный блин катушки PF5, во всю идет строительство оставшихся производственных станций (стенды сборки блинов, криовакуумный испытательный стенд, портальный кран для перемещения катушек и т.п.)В частности, в этой станции будет происходить вакуумно-нагнетательная пропитка эпоксидной смолой всей катушки (PF5 и PF2). слева и справа -подкрановые рельсы для крана, который будет эти готовые катушки перемещать, а над головой виден кран для перемещения отдельных блинов.В соседнем здании продолжается сварка элементов криостата. Вот, например, почти не видный за стапелем нижний ярус нижнего цилиндра криостатаРядом с ним наконец какой-то прогресс по основанию криостата. Напомню, что сварка основания криостата торжественно началась больше года назад - 8 сентября 2016 года и считалось, что оно будет готово к маю 2018 года. Однако после первой операции (сварка швов днища и их неразрушающий контроль) все зависло на примерно полгода. После чего была выполнена вварка закрывающих панелей, но все это - даже не четверть от общего объема работы по основанию. Сейчас вокруг собран стапель, и есть надежда, что работа будет продолжена и к концу 2018 две детали криостата, без которых невозможно начать сборку токамака будут готовы. Но запасы времени по криостату индусы выжрали довольно основательно.Стапель вокруг будущего основания криостата еще только собирается. Рабочие стоят на днище, некоторые сегменты будущего основания разложены вокруг.На другом полушарии, с отставанием как минимум на 9 месяцев Япония отгрузила половину корпуса тороидальной катушкиЭто внутренняя часть катушки, а вторая половина делается в Южной Корее. После стыковки двух половин они поплывут в италию, где на предприятии SIMIC должна производится интеграция намоточного пакета и корпуса, а так же системы охлаждения катушки и ее инструментирования датчиками. Вообще, остается примерно 1,5 года до момента, когда первые две готовые катушки должны попасть в здание предварительной сборки и что-то не похоже, что этот срок будет выдержан. Тем более, что итальянцам и японцам за последующие 2,5 года надо собрать еще 16 катушек, кроме двух первых.Немецкая фирма Research Instruments отгрузила первый криосорбционный насос на площадку ИТЭР. Впрочем, это не для установки (устанавливать их будут дай бог года через 4), а для оборудования этого насоса датчиками и электроникой, а затем насос поедет в немецкий же центр KIT, где есть криостенд необходимой для испытаний производительности. После испытаний помпа вместе с 7 такими же вновь поступит на площадку ИТЭР уже для монтажа.Сердце криосорбционной помпы - вот эти "лопасти" - панели, покрытые активированным углем, внутри которых прокачивается жидкий гелий. При этом гелий, дейтерий и любые другие газы сорбируются на этих поверхностях. После насыщения помпа отсекается от токамака, разогревается и откачивается вторым эшелоном вакуумных насососов. Для снижения тепловой нагрузки вокруг криосорбционных поверхностей установлен экран, охлаждаемый до температуры жидкого азота (80К).В Южной Корее тем временем идет сборка первого сегмента вакуумной камеры ИТЭР, на фотографии примерно 1/6 от одного из 9 сегментов из которых будет собрана ВК. Южная Корея отвечает за 4 из 9 сегментов. Именно этот сегмент первым в конце 2018 - начале 2019 встанет на стенд сборки, который начали монтировать на фото в начале поста.В России за лето 2017 успели провести испытания уплотнения вакуумного порта - технологически довольно замороченная вещь (как и все в ИТЭР, впрочем), но не особо впечатляющая. Небольшое видео про эти испытания:"Криогенмаш" занимается поставкой 4 одинаковых станций для тестирования порт-плагов - это довольно важные стенды, на которых все портплаги будут испытываться до установки в реактор. Пока, впрочем, идет скорее НИОКР, чем производство станций.Кроме того, 7 сентября из НИИЭФА отправилась очередная партия водоохлаждаемых шинопроводов, которые идут от здания магнитных конверторов к криофидерам. Было отправлено 85 тонн шинопроводов, а всего Российские поставки этого типа оборудования уже составили ~170 тонн из 500.Европа за лето выбрала нескольких исполнителей по изготовлению внутренних компонентов инжектора нейтралов. Инжекторы нейтралов, и особенно ускоритель - это технологии, заходящие даже за грань безумия, традиционную для ИТЭР, в частности здесь требуется создание охлаждаемых медных конструкций размерами 2х1 метр, которые под тепловыми нагрузками в пару мегаватт должны сохранять нетривиальную геометрию двойной кривизны с точностью до 1 мм. Для усложнения истории внутри медных сеток должны располагаться регулярные структуры из неодимовых магнитов для управления потоками электронов.3D рендер источника-ускорителя NBI ИТЭР. Справа здесь радиочаcтотный генератор плазмы мощность в 1 мегаватт, а левее - вытягивающая отрицательные ионы система и 5 сеток электростатического ускорителя, между которыми по 200 киловольт разницы потенциалов (т.е. всего мегавольт). Циллиндрические штуки по краям сеток - это электрические изоляторы. Слева видны  конструкции привода, который настраивает направление луча из этого ускорителя.Таким был этот квартал для ИТЭР, следующий обещает быть еще более интересным, а в 2018 году начнется массовый монтаж оборудования сразу на многих объектах.

Выбор редакции
18 сентября, 23:01

Ядерная бомба с опорой на собственные силы

  • 0

Одним из забавных видов головоломок является гадание о том, сколько ядерного оружия есть у стран, которые всегда оставляли без ответа вопрос о количестве (или вообще о наличии у страны ядерного оружия). Речь идет про такие страны, как Индия, Пакистан, Израиль и конечно же Северная Корея. Еще одним поджанром тут являются попытки оценить ядерный потенциал “пограничных” стран, например Ирана, Японии или Бразилии. В этой дисциплине весело пересекаются отрывочные знания о том, как должна выглядеть инфраструктура и технологии разработки ядерного оружия и отрывочные знания о положении дел в этих самых странах, на которые нацелен взгляд исследователя. Сегодня разбираем ядерный потенциал Северной Кореи (СК).К сожалению, у Северной Кореи нет своего Мордехая Вануну и есть риск, что половина атомного комплекса этой страны спрятана по подземным и подгорным выработкам. Тем не менее, можно предполагать некоторую логику построения ядерно-оружейного комплекса, которая служит ограничителем в оценке количества и качества ядерного оружия у этой страны. Прежде всего, разработка и производство ядерной бомбы распадается на множество задач, очень разных по сложности. Сделать систему синхронного подрыва имплозивного заряда сложно, но требует несопоставимо меньше ресурсов, чем произвести заветные ~6 килограмм плутония 239 оружейного качества на каждую бомбу. Реально, над новой ядерной державой всегда довлеют задачи получения ядерных оружейных материалов, а остальное уже идет прицепом.Что характерно, найти описания, схемы и изображения оборудования радиохимических заводов, предназначенных для извлечения плутония на порядок сложнее, чем подобное по ядерным реакторам (в т.ч. наработчикам плутония) и даже ранним ядерным боезарядам. На фотографии выше ячейка завода по извлечению плутония в Хэнфорде, США.В случае СК стране повезло - на территории есть месторождения урана (найденные советскими геологами и сначала разрабатывавшиеся китайцами), оцениваемые в 20-40 тысяч тонн природного урана. Приложив определенные (довольно приличные) усилия, северные корейцы способны превратить эту руду в металл. Какие развилки есть дальше?Самый простой вариант - это графитовые канальные реакторы для производства оружейного плутония. При этом реактор мощностью 100 мегаватт будет способен наработать ~25 килограмм оружейного плутония (4 заряда) в год.Работая на природном уране графитовый реактор способен превратить в плутоний примерно 0,1% массы загруженного урана - дальше концентрация (выгорающего) U235 упадет ниже критичной. Если урана мало, а бомб хочется много - можно перейти на более эффективные тяжеловодные реакторы.Вариант три - построить обогатительные заводы и питать реакторы слегка обогащенным ураном. Или перейти на боезаряды, сделанные из высокообогащенного урана. Каждый из вариантов требует своего набора технологий и заводов, выпускающих необходимые промежуточные продукты - их и можно поискать в импорте страны и спутниковых фотографий.Первый инструмент в руках исследователей чужих секретов - слежка за активностью на выбраных площадках (ядерный центр в северокорейском Йонбёне на фото) - поиск изменений, передвижений транспорта, следов работы крупных установок (на фото - нет сброса охлаждающей воды с реактора - значит он остановлен, либо на небольшой мощности).Начиная с варианта один, северной корее понадобилось бы создать:Спроектировать и построить графитовый реактор мощностью >10 МВт. При внешней простоте эта задача тянет за собой наличие тяжелого машиностроения и производства специфических материалов, например очень чистого графитаПостроить завод по переработке облученного ядерного топлива (для извлечения наработанного плутония). Эта задача требует наличия хорошей химической промышленности и создания нетривиальных химических аппаратов: платиновых растворителей топлива в азотной кислоте, центробежных экстракторов, специфических фильтрующих аппаратов . Кроме того, она требует наличия целой плеяды специалистов в радиохимии, просто химии и ядерной физикеК всему этому идет прицепом спецметаллургия и металлобработка, работающая с ураном и плутонием (токсичными и активными металлами). Хотя объемы для нескольких зарядов в год невелики, оборудование и его детали для подобных производств можно попытаться отследить в импорте. Наконец, различные базовые отрасли - например производство алюминиевых сплавов, при возникновении ядерно-оружейных потребителей также насыщаются специфическим оборудованием, например по производству высокоточных бесшовных труб. Сложнее, конечно, если все эти единицы оборудования разрабатываются и производятся в стране - сверху возможно разглядеть только совсем уникальные элементы - типа уранового рудника, реактора или производство тяжелой воды. Однако, когда встает вопрос о разработке (с предварительными научными исследованиями) сотен единиц оборудования, то любая страна пытается сэкономить усилия и время через импорт “невинных” промежуточных элементов. Северная Корея, видимо, начала проявлять интерес к ядерному оружию еще во время Корейской войны и довольно настойчиво просила еще в 50х годах “старших братьев” СССР и Китай о передаче технологий. В результате торговли СССР построил в центре Йонбён бассейновый реактор типа ИРТ-2000 и пустил его в 1967 году. Это учебный реактор, совершенно неприспособленный к производству плутония. Этому мешает тепловая мощность, позволяющая производить всего несколько сот грамм плутония в год, необходимость использования обогащенного топлива (т.е. поставки топлива контролировались СССР), и неудобное для переработки топливо в виде урана в магниевой матрице. Все эти особенности наверняка возникли не случайно.По внешней форме ИРТ-2000 можно понять, что этот реактор больше нацелен на вывод слабых пучков гамма-излучения и нейтронов от активной зоны, чем на переработку топлива. Тем не менее своб роль в обучении ядерных физиков, в измерении различных констант в ядерной программе Северной Кореи он сыграл.Пущенный в 60х реактор больше чем на десятилетие отвлек Северную Корею от собственной ядерной программой, и как мне кажется, умело служил морковкой для северокорейских товарищей, хорошо оценивовавших свои силы и надеявшихся получить ядерную индустрию от “северного брата”. Однако к концу 70х СК все же переключается на самостоятельную программу и с 1980 по 1986 строит в том же Йонбёне канальный графитовый газоохлаждаемый реактор (схожий по идеологии с Magnox) мощностью 20 или 25 тепловых мегаватт и завод по изготовлению свежего топлива для этого реактора. Это практически идеальный вариант для дешевого промышленного реактора: канальная схема позволяет осуществлять сверхкороткую выдержку топливных блоков, газовый теплоноситель позволяет не думать о коррозионных проблемах. Важно отметить, что чем короче выдержка, тем выше кпд трансмутации U238 в Pu239 и чище плутоний (меньше старших изотопов), но одновременно тем меньше содержание плутония в топливе и тем больше его остается из-за конечности эффективности химической экстракции из раствора. Поэтому есть некий оптимум выдержки, обычно от 400 до 1000 МВт*дней на тонну топлива.Скорость трансмутации урана в плутоний в зависимости от выгорания. Видно, что выгоднее как можно более короткие выдержки топлива, однако при концтрации плутония меньше 0,05% эффективность его извлечения из раствора ОЯТ в азотной кислоте начинает падать и все больше плутония теряется. В то же время выдержка больше 1000 МВт*дней на тонну начинает вызывать распухание металлического топлива, и усложнять технологию облучения. Кстати, в энергетических реакторах стандартные выгорания лежат в диапазоне 40-60 тысяч МВт*дней на тонну.Здание северокорейского "Магнокса", вытянувшего всю корейскую программу производства плутония. В прессе он часто фигурирует как 5-мегаваттный реактор, но речь идет о электрической а не тепловой мощности, хотя понятно, что задачей этого реактора является совсем не выработка электричества.Вслед за канальным реактором, на той же площадке в 1992 последовал пуск комплекса по радиохимической переработке, началось строительство 200 мегаваттного реактора (формально энергетического, но того же удобного для целей производства плутония типа Magnox). Одновременно все там же, в Йонбёне, были созданы лаборатории по работе со взрывчаткой, аналогичные имещимся в Лос-Аламосе и Арзамасе-16. Фотография места в фабрике переработки ОЯТ, где располагалась машина, разрезавшая ОЯТ ТВС и передававшая их на растворение в начале процесса Purex. Да, к сожалению, тут нужно включать воображение.Понятно, что еще с конца 80х международная дипломатия, и прежде всего американцы, пытались разными способами затормозить ядерную программу Северной Кореи. В частности, в 1991 году США убрали из Южной Кореи свое тактическое ядерное оружие, и продвинули заключение между двумя кореями договора о безъядерном статусе полуострова. По этому соглашению начались визиты инспекторов МАГАТЭ на ядерные объекты СК, которые, впрочем, шли беспроблемно только до появления желания посмотреть основные ядерно-оружейные объекты, в частности завод по переработке ОЯТ, после чего стороны вошли в двухлетний клинч. Следующий раунд дипломатии в 1994 году привел к договоренности с СК о заморозке программы переработки плутония и об остановке и разборе реактора (и отказе от строительства новых), взамен на поставки продовольствия, топлива и обещания построить 2 гигаватта АЭС в Северной Кореи.К моменту подписания этой договоренности, называвшейся “Agreed Framework”, инспекторы МАГАТЭ насчитали наличие ~24 килограмм облученного плутония в ОЯТ 25-мегаваттного Magnox, в основном хранившегося в бассейне выдержки при реакторе. Незначительная часть этого топлива (для понимания - эти 24 килограмма содержалось в примерно 8000 облученых ТВС весом 60 тонн) была переработана на 1994 год, но, видимо, непосредственной возможности собрать ядерную бомбу у Кореи еще не было, дипломаты затормозили страну буквально в полугоде от такой возможности.Снимок бассейна выдержки топлива корейского газо-графитового реактора. По-видимому это корзины с простыми стержневыми твэлами, схожими с блочками, облучавшимися в советский промышленных уран-графитовых реакторах.Самое удивительное в этой договоренности то, что она довольно долго выполнялась: Северная Корея остановила реактор и не перерабатывала ОЯТ (что контролировалось МАГАТЭ), получала мазут и ждала начала строительства двух гигаваттных блоков (их должна была построить KEPCO, и даже провела в 2002 году церемонию “первого бетона” на строительстве АЭС). Однако в 2002 году США обвинили СК в наличии у них секретного центрифужного производства, где мог производится оружейный уран, в ответ СК обвинила всех подряд в предвзятости. Конфликт закончился фактическим разрушением “Agreed Framework”.Вообще говоря, газоцентрифужное производство частно подается как одна из опаснейших ядерно-оружейных технологий. На деле надо понимать, что газовые центрифуги сложны не только конструктивно, но и производственно (это прецизионная механика из не самых простых материалов, которую надо выпускать в огромных объемах). Для маленькой страны, которая хочет получить в руки ядерную бомбу, ГЦ является неочевидной темой для освоения.А это фотография остатков печей, в которых выплавляли уран и отливали блочки для твэлов.Во-первых, для производства 30-40 кг оружейного урана в год необходимо построить более сотни тысяч центрифуг, каждая размером примерно с 155 миллиметровый снаряд. Кроме того нужно построить конверсионно-сублиматные производства, превращающие двуокись урана UO2 в гексафторид урана UF6. К ним нужны производства чистого фтора, плавиковой кислоты, фреонов, а также множества материалов, из которых будет собирается система, по которым будут перемещаться эти адские газы (никелевые сплавы и нержавеющие стали, тефлон). Во-вторых, создать мощную бомбу на базе только 235 урана сложно - простая имплозивная схема дает слишком большое и тяжелое устройство, которое невозможно поставить на ракету, а варианты с бустингом, композитным ядром, слойки и т.п. - требуют совершенно другого уровня развития ядерно-оружейного комплекса и в конце концов того же плутония.Однако Северная Корея пошла по этому пути, возможно, подталкиваемая удачным запретом на производство плутония. Так или иначе у исследователей ядерной программы СК кроме развлечения с подсчетом объемов плутония добавились еще более зыбкие рассуждения про объемы наработанного оружейного урана и его возможное применение. Примерно 5 тонн промежуточного продукта (UO3) на фабрике по производству свежего топлива для 20-мегаваттного реактора сложено под камерами МАГАТЭ.Впрочем, из-за разрушения договоренностей 2002 года Северная Корея поспешила достичь целей, к которым шла еще с 50х, и 9 октября 2006 года взорвала свой первый ядерный боезаряд. Если в 2006 году было очень много скепсиса по поводу реалистичности ядерного испытания, целая “партия тысячи тонн аммонала” из-за низкой мощности подрыва, то сегодня (в 2017 году, после проведения 120+ килотонного испытания) ясно, что за 4 года СК сумела переработать ОЯТ, выделить и очистить плутоний, сконструировать и изготовить боеприпас и войти в клуб ядерных держав. Кстати, забавно, что за месяц до этого испытания Израиль разбомбил в Сирии некое сооружение, которое МАГАТЭ потом назвали копией 25-мегаваттного корейского реактора, находящегося в процессе монтажа. Сложившаяся ситуация вернула за стол переговоров с Северной Кореей США, РФ, Китай, Японию и Южную Корею и через 4 месяца Северная Корея вновь получила обещания всяческой помощи в обмен на заморозку своей ядерной программы. Интересно, конечно, было бы послушать дипломатов, потому что мне, например, решительно непонятно, как можно добиться такого результата. Но факт остается фактом - Северная Корея начала получать плюшки в обмен на постепенный демонтаж своего реактора: летом 2007 года инспекторы МАГАТЭ убедились, что реактор в Йонгбёне остановлен, и взяли под контроль свежее и облученное топливо. Позже было продемонстрировано, что на фабрике по производству свежего топлива демонтировано все оборудования (что бы это ни значило), а летом 2008 года, как вишенка на торте, была взорвана градирня охлаждения йонгбёнского реактора.Та самая, взорванная в последствии и не восстановленная до сих пор градирня. Очевидно, отсутсвие системы сброса тепла усложняет эксплуатацию реактора, впрочем видимо его перевели на проточное охлаждение водой из соседней реки.Лебедка для передвижения корзин с ОЯТ на начало переработки (передвижение осущесвлялось по горячей камере за задней стеной). Интересно, что в белом шкафу расположены американские детекторные блоки, способные детектировать работу с ОЯТ.Впрочем, на этом очередной этап дружбы и согласия вновь закончился. США не исключили СК из списка спонсоров террористов, как обещали, и северокорейцы слегка удивившись выгнали инспекторов МАГАТЭ с объектов и начали их восстановление. 25 мая 2009 года Северная Корея проводит второй подрыв мощностью 4-5 килотонн.Фотографий испытаний, к сожалению, не существует, зато есть такая замечательная зарисовка "Высший руководитель Ким Чен Ин обучает корейских разработчиков ядерного оружия тонкостям проектирования и производства". Перед Кимом макет мультиточечного имплозивного заряда, схожего с ранними американскими зарядами. Кстати, остановимся на секунду, и посмотрим как обычно выглядят эти подрывы для всех, не вовлеченных непосредственно в северокорейскую ядерную программу. Поскольку проводятся они в штольнях в горах на северо-востоке страны, то основным свидетельством взрыва являются сейсмические сигнатуры, которые регистрируются в окружающих странах. Сейсмологи говорят, что у ядерного взрыва есть несколько особенностей, и главная из них - фактически наземное расположение источника сейсмического сигнала, тогда как землетрясения обычно имеют источник глубоко под землей.После очередного разрыва с западом Северная Корея не только возобновила испытания, но и развила приличную активность по достройке производств в Йонбёне.Ядерную природу взрыва можно зафиксировать по наличию некоторых короткоживущих радиоизотопов, в частности Ксенона-135 к Ксенону-133. В то время, как в ОЯТ это соотношение составляет около 0,5 в продуктах деления ядерного взрыва оно порядка 100, поэтому повышенное соотношение изотопов яркий маркер взрыва (на деле определение характера источника чуть сложнее и вовлекает другие соотношения изотопов, подробнее здесь). Для северной кореи повышенные соотношения фиксировались в 2006 и 2010 году. Кроме того, характерным признаком является наличие изотопов Ba-140/Cs-140 при отсутствии других изотопов бария и цезия. Это говорит о мгновенном выбросе газов сразу после бурного процесса ядерного деления, т.к. эти изотопы - продукты распада очень короткоживущего ксенона-140. В старом ОЯТ ксенона-140 нет, из свежего горячего он выбрасывается вместе с другими летучими изотопами цезия.Один из германиевых детекторов, осуществляющий контроль. В центре - сам гамма-спектрометр, на который надевается циллиндрический фильтр с образцами. Вокруг - свинцовая защита толщиной ~200 мм, и спереди это все тоже закрывается 200мм крышкой.Существует целая сеть из 321 станций международной организации ОДВЗЯИ, которые нацелены на поиск изотопов-маркеров ядерных взрывов, и именно информация с них позволяет вычислять некоторые характеристики ядерных испытаний Кореи. Например, похоже, что испытания 2009 года были проведены в той же камере, что испытания 2006 года, возможно по соображения аккумуляции плутония в одном месте, откуда его потом можно будет добыть. В принципе, если станции захватывают весь спектр летучих продуктов деления, то ОДВЗЯИ способна сказать, был заряд из плутония 239 или урана 235, было термоядерное усиление заряда или нет и даже уточнить сейсмические данные по мощности. Однако далеко не всегда ПД долетали до станций - так для испытания 2009 года выход радионуклидов зафиксировали только в 2010 (видимо, при вскрытии штольни северокорейцами). После 2009 года СК провела похожие подрывы ~5-10 килотонных зарядов в штольнях в 2013 году и дважды в 2016, и наконец, в сентябре 2017 года был взорван боезаряд, оцененный сейсмологами в 120-400 килотонн.Буквально за день до подрыва СК распространила вот такие фотографии, намекающие на наличие у СК двухступенчатого термоядерного боеприпаса, возможно даже со схемой радиационной имплозии (хайтек в мире ядерных бомб). Для идиотов сзади имеется плакат, показывающий, что эта бомба влезает в боеголовки имеюшихся у СК баллистических ракет.120 килотонн означает однозначное освоение Северной Кореей термоядерных боеприпасов (возможно не совсем таких, как их видят СМИ, но практически однозначно боеприпасов часть энергии которых выделяется термоядерным синтезом), что в свою очередь требует наличия мощностей по разделению изотопов лития и водорода (т.е. по получению тяжелой воды) а также, возможно, радиохимической лаборатории, способной работать с тритием.Боеприпас в несколько сотен килотонн, водруженный на последние достижения северокорейских ракетчиков представляет собой серьезнейшее оружие, до сих пор доступное всего 5 странам мира. Осторожное суммирование возможностей Северной Кореи говорит о наличии у страны от 5 до 15 боеприпасов, которые могут быть конвертированны в заряды подобной мощности.Не знаток корейских ракет, но эти выглядят достаточно внушительно, что бы быть МБР.Возможно, правы были аналитики, предупреждавшие в 2011 году, что нападение на Муамара Кадаффи, сдавшего свою ядерную программу в обмен на гарантии безопасности, еще аукнется на востоке.  

Выбор редакции
10 сентября, 10:39

Когда полетит Falcon Heavy

  • 0

Из рублики "перепость две хайп-темы и получи третью бесплатно", но не мог пройти мимо прекрасной картинки, подсмотренной у za_neptunieОранжевая линия - назначенные даты запуска Falcon Heavy, синяя - просто время и внизу зеленая линия - оставшееся время до запуска, по нему построен тренд. Прекрасный инструмент исследования обещаний! P.S. Постараюсь сегодня доделать пост "АЭС и ВИЭ против ураганов".

Выбор редакции
09 сентября, 18:13

Вся правда о солнечных панелях — 2

  • 0

Интересный пост от Виктора Борисова о личном опыте эксплуатации небольшой grid tied солнечной электростанции. Виктор пишет, что себестоимость его СЭС - 100 рублей за ватт (1,6$ за ватт) - сейчас, наверное, можно и подешевле, но очень низкая инсоляция в подмосковье и стоимость электроэнергии в сети в ~8 центов за кВт*ч не оставляют шансов.Оригинал взят у victorborisov в Вся правда о солнечных панелях — 2Два года назад, осенью 2015 года, я установил на крыше загородного дома две солнечные панели и инвертор. С того момента я постоянно контролирую выработку и ежегодно делюсь статистикой. Первый год эксплуатации показал, что я смогу вернуть свои вложения в солнечную энергетику примерно через 30 лет. Более подробно со статистикой и расчётами можно ознакомиться в статье «Вся правда о солнечных панелях».Но за последний год произошли изменения как в сетевых тарифах, так и в используемом оборудовании. Я заменил инвертор и выработка увеличилась......но чуда, к сожалению, не произошло.Напомню, что в моей системе полностью отсутствуют накопители в виде аккумуляторов, т.к. во-первых они совершенно не нужны (вся вырабатываемая солнечными панелями энергия гарантированно потребляется), а во-вторых они лишь увеличат стоимость оборудования и потребуют регулярной замены каждые несколько лет (в текущей конфигурации система не требует обслуживания в течение всего срока службы).Изначально для системы я купил грид мощностью 300 ватт, который был установлен в доме. У него было два недостатка — во-первых, это шум вентилятора, который периодически включался для охлаждения внутренних компонентов, а во-вторых, потери на проводах от солнечных панелей до инвертора. Но в процессе эксплуатации выявился ещё один недостаток. Оказалось, что купленный грид был расчитан на мощность панелей 500 ватт и это тот самый случай, когда инвертор не должен иметь запас по мощности. Мои панели общей мощностью 200 ватт не могли его нагрузить полностью и в результате он имел низкий КПД в облачную погоду и генерация часто срывалась.Я решил заменить грид на другой. Для этих целей я приобрёл микро инвертор в герметичном корпусе, устанавливаемый в непосредственной близости к солнечным панелям с максимальной мощностью 230 ватт. А от него в сеть дома протянут провод с напряжением 220 вольт. Уже первое включение показало, что этот грид способен выдавать энергию (пусть и немного) даже в облачную погоду.Солнечные панели установлены на стационарной раме на крыше и направлены строго на юг. Примерно 4 раза в год я меняю их угол наклона. Почти горизонтально летом, под углом 45 градусов в межсезонье и максимально близко к вертикали зимой. Но всё равно зимой их засыпает снегом. Периодически их нужно протирать от пыли и грязи. Поворотный механизм (трекер) не использую т.к. его стоимость не отобъётся никогда.Начался сентябрь: мало солнца, много облаков — выработка очень сильно упала. В дождливые дни она просто ничтожна (менее 50 ватт•часов в сутки).Вот график выработки электроэнергии за последние 6 месяцев. Новый грид был установлен в середине мая. Кстати, если днём отключают электричество в СНТ, то и выработка тоже прекращается (такое было несколько раз этим летом).А вот статистика помесячной выработки за этот год. Самое кардинальное изменение не в том, что выработка увеличилась, а в том, что у нас в СНТ снизились тарифы — теперь СНТ приравниваются к сельским поселениям и электроэнергия стала стоить на 30% дешевле. В то время, как замена инвертора повысила эффективность примерно на 15%.Напомню, что у солнечной энергетики в Московской области есть две проблемы:1. Низкие тарифы на сетевое электричество.2. Малое количество солнечных дней.Выработка энергии за лето 2017 года по месяцам (в скобках выработка за прошлый год):Май - 20,98 (19,74) квтчИюнь - 18,72 (19,4) квтчИюль - 22,72 (17,1) квтчАвгуст - 22,76 (17,53) квтчНа текущий момент общая выработка за 2017 год составила 105 квтч. По текущим тарифам (4,06 руб/квтч) это всего 422 рубля. Основной пик выработки закончился, впереди облачная осень и зима. Давайте будем считать, что выработка за этот год составит 500 рублей. А в оборудование я вложил 20 000 рублей (грид удалось заменить без доплат).При этом напомню, что в прошлом году выработка составила 650 рублей (из-за того, что стоимость электроэнергиии составляла 5,53 рубля/квтч). То есть несмотря на увеличение КПД солнечной системы, срок её окупаемости увеличился с 32 до 40 лет!Даже если пофантазировать и представить, что в Московской области целый год не будет облаков, то за год с панелями на 200 ватт можно получить всего 240 квтч (теоретический максимум при максимальном КПД солнечных панелей, производимых в настоящее время). Или около 1000 рублей. То есть всё равно срок окупаемости составит 20 лет. И это только в теории, поскольку в реальной жизни такого быть не может. И это тарифы Московской области, в то время как в некоторых регионах России электроэнергия стоит менее 2 рублей за квтч. А если добавить в систему аккумуляторы, то эта система не окупится никогда.Поэтому солнечные панели рентабельны только там, где нет сетевого электричества, а его подключение либо невозможно в принципе, либо стоит очень дорого.А для того, чтобы сэкономить на содержании загородного дома есть множество других, более эффективных решений: соблюдение технологии строительства, использование современных материалов (газобетон, экструзионный пенополистирол), утепление без мостиков холода, использование теплового насоса (кондиционера), использование ночного тарифа.В текущей конфигурации мой энергоэффективный дом совершенно не требует кондиционирования летом, в нём круглогодично поддерживается комфортная температура (даже если в нём никого нет), а годовой расход энергии составляет около 7000 квтч. Это в 3 раза дешевле, чем содержание квартиры аналогичной площади в Москве.Более подробно со всеми материалами, посвящёнными строительству современного энергоэффективного дома своими руками, можно ознакомиться здесь. Дом построен пять лет назад, в 2012 году.View Poll: #2072298В следующей статье я расскажу о том, что нового появилось в этом году. Например, про то, как я сделал лифт на крышу своими руками (кстати, его видно на последней фотографии).Добавляйте мой блог в друзья, чтобы не пропустить новые статьи!

Выбор редакции
08 сентября, 09:03

Цифровое радио

  • 0

Мы ищем специалиста по написанию всяких алгоритмов для разработок в области цифрового радио для двух больших проектов. Писаться все будет на микроконтроллерах и/или DSP, так что важен и этот опыт. Можем взять на постоянную работу, так и на фриланс, можно работать в офисе и удаленно. ЗП более, чем адекватная.Так что если есть кто-то с такими навыками - пишите здесь или в личку или на почту [email protected]

Выбор редакции
03 сентября, 14:44

Апдейт по "бюджету замещения"

  • 0

Полгода назад я написал обзор с прогнозом, сколько же АЭС построят в России до ~2030 года. Прогноз получился довольно таки неутешительным - денег не хватает даже на просто замещение выбывающих РБМК и ВВЭР-440. Однако с тех пор ситуация слегка поменялась, поэтому пора сделать апдейт прогноза.С одной стороны глава Росатома признал, что стоимость АЭС растет к смете, поэтому оценки затрат на строительство АЭС надо смещать вверх (тем более для будущего строительства, которое надо домножать на инфляцию).Видимо для энергоблока ВВЭР-1200/ТОИ, который будет возводиться в 2018-2025 году стоило бы взять оценку стоимости энергоблока эдак в 160-180 млрд рублей в зависимости от конкретного проекта.С другой стороны, вышел годовой отчет концерна Росэнергоатом (КРЭА) за 2016 год, где есть вот такая инфографика"Имущественный взнос" здесь примерно эквивалентен субсидиям федерального бюджета на стротельство АЭС. Напомню, что интрига тут заключается в оценке собственных возможностей КРЭА по инвестированию - я ожидал, что в 2016 концерн так же как и в 2015 не сможет направить на инвестиции больше 80 млрд рублей, а он взял, напрягся и направил слегка больше 100. Из этих денег только часть пошла на АЭС, а именно 94151 млн рублей:Сложно судить, откуда у КРЭА появились такие возможности по слому тренда - может быть это чисто бухгалтерские особенности завершения строительства блока НВАЭС-6 в 2016 году, или высвобождение каких-то финансов с другим направлений, а может быть, действительно, финансовая оптимизация, которую концерн ведет много лет, дает о себе знать. Кстати, эта оптимизация крайне негативно воспринимается линейными работниками, считающими, что "раньше было лучше".Посмотрим на обновленный прогноз расходов на строительство АЭС В 2017-2018 добавлены расходы на строительство НВАЭС блок 7 и Ростовская АЭС блок 4, примерно по 35 миллиардов рублей в год. В целом видно, что с небольшой натяжечкой и сдвигом сроков, КРЭА, видимо, сможет вводить замещающие РБМК мощности. Но в целом на этом и все, в лучшем случае нас ждет еще станция для замещения блоков 3-4 Кольской АЭС, где-нибудь к 2030 году, т.е. в целом пока кардинальных изменений в прогнозе не видно.Впрочем, есть еще один источник финансового ресурса, который может быть задействован для расширения строительства АЭС - речь про "договоры на поставку мощности", т.е. тарифное субсидирование новых строящихся мощностей в Российской электроэнергетике. Сегодня КРЭА получает порядка 80 млрд рублей выручки через договоры ДПМ (из ~300), и некоторые прогнозы говорят, что эта цифра может вырасти вдвое-втрое.Впрочем, здесь еще нет конкретных законодательных решений, поэтому неизвестно, будет ли отжаты дополнительные полтриллиона с рынка электроэнергетики и если да, то кто станет бенефециаром этого денежного потока.

Выбор редакции
29 августа, 22:37

Японский ядерный перезапуск.

  • 0

Я думаю, ни для кого не секрет, что авария на Фукусимской АЭС в 2011 году нанесла, фактически, нокаут атомной энергетике Японии. В основном через мироощущение японцев, которые в массе своей резко разлюбили ядерную энергию, после чего было принято политическое решение об остановке основного количества АЭС. Вместе с тем, это решение очень недешево обошлось Японии: и в плане расходов на привозной сжиженный природный газ и в плане вывода из активной эксплуатации АЭС на ~50 миллиардов долларов. В силу этого была разработана осторожная и длинная процедура восстановления ядерной энергетики. Она представляла из себя ужесточение требований безопасности к АЭС, разработку владельцами АЭС планов по модернизации своих станций для удовлетворения этим новым требования, проверки АЭС до и после модернизации, одобрения планов национальным атомнадзором Японии (NRA) и как вишенка на торте - согласия местных властей на перезапуск АЭС.Всего на 11.03.2011 в эксплуатации в японии было 54 энергоблока, из которых, понятно, сразу надо вычесть 6 блоков АЭС "Фукусима Даичи" и еще 2 блока в процессе строительства. Оставшиеся после аварии 48 блоков, де-факто, поделились на несколько категорий - старые маломощные АЭС, зачастую дизайна конца 60х годов, которые было невозможно привести к современным требованиям, новые блоки, которые имело смысл модернизировать и зависшие между небом и землей блоки BWR (кипящих реакторов) довольно-таки новых версий. Последняя категория нарисовалась в основном потому что именно 3 реактора типа BWR взорвались на АЭС Фукусима, хотя, если честно, тип реактора очень слабо повлиял бы на развитие этой аварии (чего нельзя сказать о наличии и облике различных систем безопасности).Японские власти очень не спешат с обратным вводом АЭС в строй, видимо ожидая, пока отношение населения станет более взешенным. Довольно долго в Японии работал всего 1 блок из 48. Параллельно были окончательно закрыты те самые "смертники" - всего 6 единиц. В тоже время еще 24 блока пошли на ренновацию, и последнии пару лет можно наблюдать постепенные включения в сеть - на сегодня работает 5 блоков общей мощностью 4,4 ГВт. Собственно проще посмотреть на таблицу:Сами Японцы ожидают, что в 18 году у них будет работать 10 блоков, а к 2020 - ~15. Можно предположить, что дальше ввод продолжится и к 5 работающим на сегодня, 19 проходящим процедуру модернизации и получения разрешения на перезапуск добавятся еще как минимум блоки уникальной станции Kashiwazaki Kariwa (самой большой АЭС в мире) и некоторые новейшие BWR (Hamaoka 5, Shika 2, Tohoku). К середине-концу 20х можно ожидать восстановления 30+ гигаватт атомных мощностей.Впрочем, тут надо оговорится, что все все же сильно зависит от степени страхов населения Японии. Те АЭС, которые уже запущены все проходили через сложные конфликты с местным населением, суды и прочие безрадостные процедуры.

Выбор редакции
27 августа, 17:37

Кобальт.

  • 0

Среди всех искусственных радиоактивных изотопов, используемых человечеством наиболее широкое применение нашел кобальт 60. Этот изотоп имеет сочетание высокой удельной активности, высокой энергии гамма-излучения, удобного периода полураспада и наличия всего одного природного стабильного изотопа (что упрощает трансмутацию). Фактически, источники гамма-излучения на базе кобальта 60 являются  неким стандартным вариантом везде, где нужны фотоны с энергией больше 1 МэВ. Сегодня я расскажу, как получают и применяют этот изотоп.Панорамный облучатель из кобальта 60 опущен в бассейн для обслуживания. Подобный облучатель способен создать мощность дозы до 2 млн рентген в час на расстоянии 20 см от поверхности.ПроизводствоКобальт 60 является активационным изотопом, т.е. его получают в результате поглощения нейтронов природным кобальтом 59. Этот процесс имеет максимальную эффективность (37 барн) на тепловых нейтронах, поэтому в целом, для производства подходит практически любой реактор. Крупнейшими производителями 60Co в мире являются канальные реакторы - тяжеловодные CANDU (Канадская АЭС Bruce, корейская Wolsong и аргентинская Embalse) и водно-графитовые РБМК, установленные на Ленинградской АЭС. Преимущество канальных реакторов - в возможности выгрузки и загрузки облучаемых мишеней независимо от рабочего цикла реактора.Мишень для облучения кобальта в американском реакторе ATR.Кстати, одним из последних значимых изменений на рынке кобальта стал проект по производству этого изотопа в бланкетах реактора БН-800, который обеспечивает большой нейтронный поток и позволяет получать продукт с высокой удельной активностью быстрее. Впрочем первый продукт появится не раньше 2019 года.Сам процесс производства кобальта-60 относительно прост (относительно 238Pu, например). Различные формы металлического кобальта (дробь, проволока, цилиндрические элементы) помещаются в мишень из циркония или нержавеющей стали, устанавливаются в облучательное устройство и опускаются в реактор. После выдержки до нужной активности мишени извлекаются, вскрываются в горячей камере кобальт-60 сортируется по активности и переупаковывается в источники, после чего отгружается заказчику.Элементы из природного кобальта, пенал с двойными стенками, устройство для транспортировки пеналов и контейнер с 27 сантиметровыми стенками из свинца и стали для перевозки весом почти 6 тонн.Общее производство кобальта 60 в мире на сегодня порядка 75 миллиона кюри в год, которое делится на два типа: кобальт с низкой и среднеей активностью (до 100 кюри на грамм) и высокоактивный кобальт (250+ кюри на грамм). Последний считается высокотехнологичным продуктом и используется в основном в медицинских применениях, его выпуск составляет ~2,5 млн кюри в год. При стоимости одного кюри низкоактивного кобальта около 2 долларов за кюри и высокоактивного около 25$ за кюри общий рынок этого изотопа составляет ~200 млн долларов, превосходя по объемам рынки молибдена 99Mo и ядерно-легированного кремния. Кстати, по стоимости, похоже, это самый дешевый (или один из самых дешевых) радиоактивный гамма-эмиттер - как минимум в несколько раз дешевле 137Cs и 90Sr в пересчете на 1 кюри.Облученные мишени с кобальтом с высокой удельной активностью в бассейне выдержки АЭС BruceПочему же 60Co настолько востребован (и рынок растет темпом 4% в год)? Кобальт 60 распадается в 60Ni излучая гамма-кванты с энергией ~1,3 МэВ, которые глубоко проникают практически в любые материалы и при этом обладают высокой ионизирующей способностью. При стерилизации это, например, позволяет “засвечивать” сразу большие объемы продукта, а при измерении толщины материала - измерять весьма толстые металлические детали, недоступные рентгеновским установкам.Скорость роста удельной активности кобальтовых мишеней при облучении в реакторе с потоком 10^14 н/см^2*cКроме того кобальт 60 имеет довольно удобный период полураспада - 5,27 года. С одной стороны чем выше период полураспада, тем дольше работает источник, но с другой стороны тем сложнее и дороже процесс его захоронения. В случае 60Co типичный пенал для панорамного облучателя (о них ниже), содержащий в начале около 6000-8000 Ки (100 грамм кобальта удельной активностью 60-80 Ки/г) через 20 лет использования имеет 431-576 Ки и может быть высвобожден из категории радиоактивных отходов через 120-130 лет, т.е. не требует дорогого подземного захоронения, а лишь хранения. В то же время гамма-эмитирующие изотопы с еще более коротким периодом полураспада, например 22Na с периодом полураспада 2,6 года и 192Ir с периодом полураспада 78 суток являются уже не такими удобными в плане частоты замены и сопутствующих объемов логистики (натрий кроме того, не находит широкого применения в силу химической активности и распухания источников от продукта распада - неона).Еще немножко контейнеров для перевозки кобальта 60. Ежегодно в мире совершается около 1000 перевозок подобных контейнеров.Основным конкурентом 60Co является небезизвестный осколочный изотоп 137Cs. К плюсам кобальта тут можно отнести:Более простой процесс получения, не требующий радиохимииВдвое большая энергия гамма-излученияЦезий - крайне химический активный и летучий элемент.Высвобождение цезия 137 из категории радиоактивных отходов займет сотни лет.Где же применяется Кобальт 60? СтерилизацияОсновным рынком, где используется 60Co, является стерилизация медицинских изделий и разнообразных продуктов питания, например специй, морепродуктов и манго. Обычно эти операции производятся на централизованных станциях стерилизации, где установлен панорамный облучатель, содержащий 2-4 миллиона кюри кобальта 60 и конвейер, перемещающий стерилизуемые продукты вокруг этого облучателя. Панорамные облучатели набираются из таких пеналов из нержавеющей стали с таблетками кобальта. Пенал обычно имеет двойную стенку и проверяется на герметичность.Гамма-стерилизация имеет две схожие альтернативы - рентгеновская стерилизация и стерилизация электронным лучом. Технологическое отличие последних двух типов в использовании небольшого ускорителя для создания потока электронов (и как вариант - рентгеновского излучения из этого потока электронов). Преимуществом кобальтовой стерилизации тут является более простое устройство и возможность работы с большими объемами облучаемого материала, а недостатком - невозможность “выключить” излучение (хотя это решается погружением облучателей в бассейн с водой), работой с большими количествами радиоактивного материала и более низкие доступные дозы по сравнению с электронным лучем. План типичного центра гамма-стерилизации. Вокруг панорамного облучателя движется конвеер с облучаемой продукцией, камера обработки со всех сторон окружена биозащитой, а сам панорамный облучатель можно опустить вниз, в бассейн для работы с оборудованием облучательной камеры. Замена пеналов с кобальтом тоже осуществляется под водой.Для типичного панорамного стерилизатора время облучения составляет от нескольких секунд (например, столько занимает стерилизация насекомых для подавления их популяции в природе) до 10 часов для фармацевтических наборов для внутривенного вливания или хирургического оборудования. При этом в камере стерилизации на конвейере может находится до нескольких тонн, т.е. общая производительность этого метода весьма высока. Видео про работу гамма-стерилизационного центра. Посмотрите, не пожалеете.Впрочем, несмотря на недостатки стерилизации электронным лучом (к ним можно отнести еще расходы на электроэнергию и работу только со слоем в 2-3 см), этот метод постепенно отвоевывает рынок у кобальтовой стерилизации из-за возможности поставить ускоритель в принципе в каждый большой госпиталь и не иметь проблем с логистикой. МАГАТЭ оценивает, что в мире работает порядка 200 больших центров стерилизации с панорамными облучателями.Промышленное применение.Существует несколько направлений, где используются источники с кобальтом 60 в промышленности. Самое старое и развитое - это толщинометры и плотномеры. Как понятно из названия, толщина материала с известной плотностью или плотность при известной толщине (например, содержание руды в пульпе) определяется по поглощению гамма-излучения от источника к детектору. В мире используются десятки тысяч подобных устройств, снабженные в основном источниками с 137Cs и 60Co, хотя иногда используются и такие изотопы, как 22Na. При этом, по сравнению с панорамными облучателями содержание радиоактивных изотопов тут невелико - обычно 1...10 кюри.Наряду с другими использованиями одно из самых активных - измерение плотности и влажности грунта.Еще более распространенным применением источников с кобальтом 60 является гамма-дефектоскопия - в основном толстых сварных швов (от 20 до 200 мм). Технология схожа с получением рентгеновских изображений, только большая толщина металла требует применения излучения с бОльшей энергией, чем может дать рентгеновская трубка. Гамма-дефектоскопы бывают разной мощности (расчитанные на разную толщину металла) и обычно содержат от 10 до 400 кюри кобальта 60. Так же находят применения более короткоживущие изотопы селен 75 и иридий 192.Переносные лучи смерти, так же известные как излучающие головки гамма-дефектоскоповКроме перечисленного, источники с кобальтом находят применение (правда узкое) в качестве высотомеров, например посадочный аппарат КК “Союз” снабжен подобным устройством, измеряющим поток отраженных от поверхности гамма-квантов и оценивающим расстояние до нее. Подобная технология также используется для измерения высоты жидкости в баках, хотя никаких конкретных примеров производства, где бы был установлен такой измеритель я не нашел.Внешне "Кактус" ничем особо не примечателен.Наконец, важным применением является облучение пластиковых полимеров для улучшения их свойств. Если судить по этой брошюрке, улучшаются решительно все свойства пластиков за счет образования поперечных химических связей. В основном набор дозы достигается с помощью бета-излучения (т.е. луча электронов из ускорителя), однако примерно 25% таких операций выполняется с помощью панорамных излучателей, схожих с теми, что используются в стерилизации (более того, некоторые центры гамма-стерилизации выполняют и облучение пластиков на том же оборудовании). Впрочем, в основном облучение пластиков производят на вот таких вот электростатических ускорителях электронов с энергией 0,7-1,5 МэВ, из-за их крайне высокой производительности.МедицинаВ 60х годах коллимированные источники гамма-излучения на основе радиокобальта были основным средством для радиотерапии. Кобальт 60 активно используется в медицине, в основном в области терапии рака. Хотя этот радиоизотоп на сегодня практически вытеснен из стандартной лучевой терапии ускорительными источниками ионизирующего излучения, он все еще широко находит применение в гамма-ножах и брахитерапии. Принцип действия и реальный гамма нож. На фотографии, очевидно, макеты источников, иначе бы фотограф получил бы несколько бэр в лучшем случае.Гамма-нож, это устройство для радиохирургии опухолей в головном мозге. Технически, установка состоит из нескольких сотен коллимированных источников гамма-излучения, закрытых поглощающей шторкой, расположенных вокруг головы пациента. Для терапии лучи точечных источников пересекаются на опухоли, тем самым создавая в этом месте необходимую мощность дозы. Именно для гамма-ножа нужен кобальт-60 с высокой удельной активностью. Преимуществом 60Co тут является высокая энергия гамма-излучения, слабо поглощаемая тканью и практически моноэнергетичность излучения, в отличии от многих других медицинских изотопов.Еще изображение гамма-ножа и стандартного источника, используемого в нем. Кобальт - это маленькие кусочки материала внизу изображения источника, остальное - это оболочки и коллиматор.Вторым большим применением радиокобальта в медицине является брахитерапия - ввод в опухоль нескольких капсул с радиоизотопом для внутреннего облучения, особенно для тех случаев, когда нужен источник с гамма-излучением высокой энергии (например, рак груди). Здесь 60Co имеет преимущества меньшего повреждения излучением окружающих органов и возможности набора бОльших доз.Радиоактивный источник для брахитерапии рака, устанавливаемый в тело пациента.НаукаКобальт является удобным изотопом для создания мощных полей гамма-излучения, которые используются в основном при исследовании изменения свойств материалов и оборудования под воздействием гамма-излучения. Например, улучшения свойств пластиков или определения радиационной стойкости микросхем.  Порядка 30 подобных облучательных установок работает в лабораториях по всему миру. Кроме того, кобальт 60 является одним из метрологических стандартов, на котором калибруется все оборудования для измерения мощности гамма-излучения.Типичная лаборатория для калибровки измерительной аппаратуры - слева источник в защите (виден электропривод затвора), тележка для перемещения прибора с установленным поверочным радиометром. Один из стандартных источников, по которым проверяют и калибруют дозиметры и радиометры у нас в стране.Впрочем ученые могут использовать и другие игрушки, например 400 гигаваттный импульсный источник гамма-излучения HERMES-IIIВыводыНе смотря на то, что последние десятилетия источники ионизирующего излучения на базе 60Co вытесняются из некоторых ниш ускорительными ИИИ, этот дешевый и удобный изотоп остается широко используемым источником гамма-излучения. Для атомной индустрии, в свою очередь, он является одним из важнейших продуктов, который востребован за пределами самой индустрии. Более широкое применение радиокобальта, впрочем, сдерживается сложностью и дороговизной мер безопасности, которые приходится предпринимать при транспортировке и использовании радиоактивных материалов.

Выбор редакции
27 августа, 17:37

Кобальт.

  • 0

Среди всех искусственных радиоактивных изотопов, используемых человечеством наиболее широкое применение нашел кобальт 60. Этот изотоп имеет сочетание высокой удельной активности, высокой энергии гамма-излучения, удобного периода полураспада и наличия всего одного природного стабильного изотопа (что упрощает трансмутацию). Фактически, источники гамма-излучения на базе кобальта 60 являются  неким стандартным вариантом везде, где нужны фотоны с энергией больше 1 МэВ. Сегодня я расскажу, как получают и применяют этот изотоп.Панорамный облучатель из кобальта 60 опущен в бассейн для обслуживания. Подобный облучатель способен создать мощность дозы до 2 млн рентген в час на расстоянии 20 см от поверхности.ПроизводствоКобальт 60 является активационным изотопом, т.е. его получают в результате поглощения нейтронов природным кобальтом 59. Этот процесс имеет максимальную эффективность (37 барн) на тепловых нейтронах, поэтому в целом, для производства подходит практически любой реактор. Крупнейшими производителями 60Co в мире являются канальные реакторы - тяжеловодные CANDU (Канадская АЭС Bruce, корейская Wolsong и аргентинская Embalse) и водно-графитовые РБМК, установленные на Ленинградской АЭС. Преимущество канальных реакторов - в возможности выгрузки и загрузки облучаемых мишеней независимо от рабочего цикла реактора.Мишень для облучения кобальта в американском реакторе ATR.Кстати, одним из последних значимых изменений на рынке кобальта стал проект по производству этого изотопа в бланкетах реактора БН-800, который обеспечивает большой нейтронный поток и позволяет получать продукт с высокой удельной активностью быстрее. Впрочем первый продукт появится не раньше 2019 года.Сам процесс производства кобальта-60 относительно прост (относительно 238Pu, например). Различные формы металлического кобальта (дробь, проволока, цилиндрические элементы) помещаются в мишень из циркония или нержавеющей стали, устанавливаются в облучательное устройство и опускаются в реактор. После выдержки до нужной активности мишени извлекаются, вскрываются в горячей камере кобальт-60 сортируется по активности и переупаковывается в источники, после чего отгружается заказчику.Элементы из природного кобальта, пенал с двойными стенками, устройство для транспортировки пеналов и контейнер с 27 сантиметровыми стенками из свинца и стали для перевозки весом почти 6 тонн.Общее производство кобальта 60 в мире на сегодня порядка 75 миллиона кюри в год, которое делится на два типа: кобальт с низкой и среднеей активностью (до 100 кюри на грамм) и высокоактивный кобальт (250+ кюри на грамм). Последний считается высокотехнологичным продуктом и используется в основном в медицинских применениях, его выпуск составляет ~2,5 млн кюри в год. При стоимости одного кюри низкоактивного кобальта около 2 долларов за кюри и высокоактивного около 25$ за кюри общий рынок этого изотопа составляет ~200 млн долларов, превосходя по объемам рынки молибдена 99Mo и ядерно-легированного кремния. Кстати, по стоимости, похоже, это самый дешевый (или один из самых дешевых) радиоактивный гамма-эмиттер - как минимум в несколько раз дешевле 137Cs и 90Sr в пересчете на 1 кюри.Облученные мишени с кобальтом с высокой удельной активностью в бассейне выдержки АЭС BruceПочему же 60Co настолько востребован (и рынок растет темпом 4% в год)? Кобальт 60 распадается в 60Ni излучая гамма-кванты с энергией ~1,3 МэВ, которые глубоко проникают практически в любые материалы и при этом обладают высокой ионизирующей способностью. При стерилизации это, например, позволяет “засвечивать” сразу большие объемы продукта, а при измерении толщины материала - измерять весьма толстые металлические детали, недоступные рентгеновским установкам.Скорость роста удельной активности кобальтовых мишеней при облучении в реакторе с потоком 10^14 н/см^2*cКроме того кобальт 60 имеет довольно удобный период полураспада - 5,27 года. С одной стороны чем выше период полураспада, тем дольше работает источник, но с другой стороны тем сложнее и дороже процесс его захоронения. В случае 60Co типичный пенал для панорамного облучателя (о них ниже), содержащий в начале около 6000-8000 Ки (100 грамм кобальта удельной активностью 60-80 Ки/г) через 20 лет использования имеет 431-576 Ки и может быть высвобожден из категории радиоактивных отходов через 120-130 лет, т.е. не требует дорогого подземного захоронения, а лишь хранения. В то же время гамма-эмитирующие изотопы с еще более коротким периодом полураспада, например 22Na с периодом полураспада 2,6 года и 192Ir с периодом полураспада 78 суток являются уже не такими удобными в плане частоты замены и сопутствующих объемов логистики (натрий кроме того, не находит широкого применения в силу химической активности и распухания источников от продукта распада - неона).Еще немножко контейнеров для перевозки кобальта 60. Ежегодно в мире совершается около 1000 перевозок подобных контейнеров.Основным конкурентом 60Co является небезизвестный осколочный изотоп 137Cs. К плюсам кобальта тут можно отнести:Более простой процесс получения, не требующий радиохимииВдвое большая энергия гамма-излученияЦезий - крайне химический активный и летучий элемент.Высвобождение цезия 137 из категории радиоактивных отходов займет сотни лет.Где же применяется Кобальт 60? СтерилизацияОсновным рынком, где используется 60Co, является стерилизация медицинских изделий и разнообразных продуктов питания, например специй, морепродуктов и манго. Обычно эти операции производятся на централизованных станциях стерилизации, где установлен панорамный облучатель, содержащий 2-4 миллиона кюри кобальта 60 и конвейер, перемещающий стерилизуемые продукты вокруг этого облучателя. Панорамные облучатели набираются из таких пеналов из нержавеющей стали с таблетками кобальта. Пенал обычно имеет двойную стенку и проверяется на герметичность.Гамма-стерилизация имеет две схожие альтернативы - рентгеновская стерилизация и стерилизация электронным лучом. Технологическое отличие последних двух типов в использовании небольшого ускорителя для создания потока электронов (и как вариант - рентгеновского излучения из этого потока электронов). Преимуществом кобальтовой стерилизации тут является более простое устройство и возможность работы с большими объемами облучаемого материала, а недостатком - невозможность “выключить” излучение (хотя это решается погружением облучателей в бассейн с водой), работой с большими количествами радиоактивного материала и более низкие доступные дозы по сравнению с электронным лучем. План типичного центра гамма-стерилизации. Вокруг панорамного облучателя движется конвеер с облучаемой продукцией, камера обработки со всех сторон окружена биозащитой, а сам панорамный облучатель можно опустить вниз, в бассейн для работы с оборудованием облучательной камеры. Замена пеналов с кобальтом тоже осуществляется под водой.Для типичного панорамного стерилизатора время облучения составляет от нескольких секунд (например, столько занимает стерилизация насекомых для подавления их популяции в природе) до 10 часов для фармацевтических наборов для внутривенного вливания или хирургического оборудования. При этом в камере стерилизации на конвейере может находится до нескольких тонн, т.е. общая производительность этого метода весьма высока. Видео про работу гамма-стерилизационного центра. Посмотрите, не пожалеете.Впрочем, несмотря на недостатки стерилизации электронным лучом (к ним можно отнести еще расходы на электроэнергию и работу только со слоем в 2-3 см), этот метод постепенно отвоевывает рынок у кобальтовой стерилизации из-за возможности поставить ускоритель в принципе в каждый большой госпиталь и не иметь проблем с логистикой. МАГАТЭ оценивает, что в мире работает порядка 200 больших центров стерилизации с панорамными облучателями.Промышленное применение.Существует несколько направлений, где используются источники с кобальтом 60 в промышленности. Самое старое и развитое - это толщинометры и плотномеры. Как понятно из названия, толщина материала с известной плотностью или плотность при известной толщине (например, содержание руды в пульпе) определяется по поглощению гамма-излучения от источника к детектору. В мире используются десятки тысяч подобных устройств, снабженные в основном источниками с 137Cs и 60Co, хотя иногда используются и такие изотопы, как 22Na. При этом, по сравнению с панорамными облучателями содержание радиоактивных изотопов тут невелико - обычно 1...10 кюри.Наряду с другими использованиями одно из самых активных - измерение плотности и влажности грунта.Еще более распространенным применением источников с кобальтом 60 является гамма-дефектоскопия - в основном толстых сварных швов (от 20 до 200 мм). Технология схожа с получением рентгеновских изображений, только большая толщина металла требует применения излучения с бОльшей энергией, чем может дать рентгеновская трубка. Гамма-дефектоскопы бывают разной мощности (расчитанные на разную толщину металла) и обычно содержат от 10 до 400 кюри кобальта 60. Так же находят применения более короткоживущие изотопы селен 75 и иридий 192.Переносные лучи смерти, так же известные как излучающие головки гамма-дефектоскоповКроме перечисленного, источники с кобальтом находят применение (правда узкое) в качестве высотомеров, например посадочный аппарат КК “Союз” снабжен подобным устройством, измеряющим поток отраженных от поверхности гамма-квантов и оценивающим расстояние до нее. Подобная технология также используется для измерения высоты жидкости в баках, хотя никаких конкретных примеров производства, где бы был установлен такой измеритель я не нашел.Внешне "Кактус" ничем особо не примечателен.Наконец, важным применением является облучение пластиковых полимеров для улучшения их свойств. Если судить по этой брошюрке, улучшаются решительно все свойства пластиков за счет образования поперечных химических связей. В основном набор дозы достигается с помощью бета-излучения (т.е. луча электронов из ускорителя), однако примерно 25% таких операций выполняется с помощью панорамных излучателей, схожих с теми, что используются в стерилизации (более того, некоторые центры гамма-стерилизации выполняют и облучение пластиков на том же оборудовании). Впрочем, в основном облучение пластиков производят на вот таких вот электростатических ускорителях электронов с энергией 0,7-1,5 МэВ, из-за их крайне высокой производительности.МедицинаВ 60х годах коллимированные источники гамма-излучения на основе радиокобальта были основным средством для радиотерапии. Кобальт 60 активно используется в медицине, в основном в области терапии рака. Хотя этот радиоизотоп на сегодня практически вытеснен из стандартной лучевой терапии ускорительными источниками ионизирующего излучения, он все еще широко находит применение в гамма-ножах и брахитерапии. Принцип действия и реальный гамма нож. На фотографии, очевидно, макеты источников, иначе бы фотограф получил бы несколько бэр в лучшем случае.Гамма-нож, это устройство для радиохирургии опухолей в головном мозге. Технически, установка состоит из нескольких сотен коллимированных источников гамма-излучения, закрытых поглощающей шторкой, расположенных вокруг головы пациента. Для терапии лучи точечных источников пересекаются на опухоли, тем самым создавая в этом месте необходимую мощность дозы. Именно для гамма-ножа нужен кобальт-60 с высокой удельной активностью. Преимуществом 60Co тут является высокая энергия гамма-излучения, слабо поглощаемая тканью и практически моноэнергетичность излучения, в отличии от многих других медицинских изотопов.Еще изображение гамма-ножа и стандартного источника, используемого в нем. Кобальт - это маленькие кусочки материала внизу изображения источника, остальное - это оболочки и коллиматор.Вторым большим применением радиокобальта в медицине является брахитерапия - ввод в опухоль нескольких капсул с радиоизотопом для внутреннего облучения, особенно для тех случаев, когда нужен источник с гамма-излучением высокой энергии (например, рак груди). Здесь 60Co имеет преимущества меньшего повреждения излучением окружающих органов и возможности набора бОльших доз.Радиоактивный источник для брахитерапии рака, устанавливаемый в тело пациента.НаукаКобальт является удобным изотопом для создания мощных полей гамма-излучения, которые используются в основном при исследовании изменения свойств материалов и оборудования под воздействием гамма-излучения. Например, улучшения свойств пластиков или определения радиационной стойкости микросхем.  Порядка 30 подобных облучательных установок работает в лабораториях по всему миру. Кроме того, кобальт 60 является одним из метрологических стандартов, на котором калибруется все оборудования для измерения мощности гамма-излучения.Типичная лаборатория для калибровки измерительной аппаратуры - слева источник в защите (виден электропривод затвора), тележка для перемещения прибора с установленным поверочным радиометром. Один из стандартных источников, по которым проверяют и калибруют дозиметры и радиометры у нас в стране.Впрочем ученые могут использовать и другие игрушки, например 400 гигаваттный импульсный источник гамма-излучения HERMES-IIIВыводыНе смотря на то, что последние десятилетия источники ионизирующего излучения на базе 60Co вытесняются из некоторых ниш ускорительными ИИИ, этот дешевый и удобный изотоп остается широко используемым источником гамма-излучения. Для атомной индустрии, в свою очередь, он является одним из важнейших продуктов, который востребован за пределами самой индустрии. Более широкое применение радиокобальта, впрочем, сдерживается сложностью и дороговизной мер безопасности, которые приходится предпринимать при транспортировке и использовании радиоактивных материалов.

Выбор редакции
23 августа, 23:48

Термоядерный стимпанк на одном крыле.

  • 0

Думаю все согласятся, что самым безумным и красивым термоядерным стартапом является канадский General Fusion с их идеей получения термоядерных микровзрывов внутри гигантской капли из расплавленного свинца, по которой бьют паровые молоты.Я уже подробно рассказывал про этот стартап пару лет назад подробно, пришло время посмотреть, что с ним произошло к настоящему времени. Общий вывод - дела идут не особо хорошо.Понятно, что создать термоядрный реактор крайне непросто. Смотря на историю нескольких десятков идей термоядерных реакторов, дошедших хотя бы до прототипов и "proof of concept", можно вывести примерно одинаковую траекторию - идея, неплохо выглядящая на салфетке в самых примитивных оценках неизбежно начинает наталкиваться на сложности при воплощении. Чаще всего эти сложности связаны либо с неустойчивостью плазмы, которая не желает "держать" невероятный градиент температуры или плотности от стенки реактора до точки, где идет термоядерная реакция либо с загрязнениями плазмы, который заставляют ее мгновенно терять энергию. В ответ на проникновение грубой реальности в чистую "салфеточную" идею авторы реактора начинают добавлять технических усложнений, призванных бороться с нежелательными факторами: улучшают вакуум, добавляют системы нагрева, усложняют конфигурацию магнитного поля, изготавляют более мощное, но при этом более презиционное устройство.Иллюстрация тезиса - открытая амбиполярная ловушка MFTF, проект, закрытый сразу после окончания строительства из-за разошедшихся оценок перспектив и стоимости.Причем процесс усложнения обычно дает падающую отдачу - и в какой-то момент становится ясно, что скорее всего в рамках очередной концепции не получится не то что реактор, но даже просто термоядерная реакция с достаточной мощностью (т.е. сопоставимой, скажем, с мощностью нагрева плазмы, параметр Q).Такую траекторию взлета и падения в свое время описали идеи z-pinch, классических стеллараторов, плазменного фокуса, классических и амбиполярных открытых ловушек, реактора MIGMA (о котором я давно хочу написать), Polywell и лазерного инерциального синтеза. Еще большее количество идей не дошли и до прототипов.Даже токамаки, которые показали в свое время возможность достижения Q=1, 10 и даже Q=бесконечность, по пути к этом настолько обрасли сложной инженериеей, что в общем-то сейчас оказываются неинтересными для нужд энергетики и продвигаются только как научные установки.Похоже, что эта печальная участь постепенно подкрадывается и к General Fusion. В 2009, когда стартап только получал свои первые деньги у них существовало намерение пройти разработку до прототипа термоядерного реактора с каким-то (небольшим) выходом термоядерной энергии к 2014 году. Считалось, что самая большая проблема с сферической симметрией сжимающего жидкометаллического лайнера преодолима, а с плазмой "все сделали предшественники".Симуляция сферически сходящихся ударных волн, которые будут обеспечивать финальное сжатие плазменного тороида в реакторе General FusionИ испытания реального поршня. Эта часть системы достигла нужных параметров по скорости и точности.Напомню, что GF собираются сжимать плазменный вихрь называемый "компактный тороид", сначала магнитным полем, а затем сходящейся в свинцовой капле ударной волной. Сжатие плазмы магнитным полем практически всегда сопровождается неустойчивостями и разрушением этой плазмы, и здесь первоначальный оптимизм GF натолкнулся на стену реальности еще в 2013 году, когда был создан первый прототип плазменного инжектора.Изначально процесс сжатия виделся так, но с этой конфигурацией плазменного компрессора-инжектора ничего не вышло.Поскольку деньги стартап собирал успешно (и собрал на сегодня порядка 130 миллионов долларов), то попутно со строительством стендов для отработки разных агрегатов будущего реактора строится ряд прототипов плазменных инжекторов-компрессоров в надежде найти правильный подход. В 2016 году возникает магнитный плазменный компрессор SPECTOR. Эта установка уже не является частью будущего реактора, а просто исследовательский стенд в попытке достичь нужного сжатия плазмы. Путем разных ухищрений компрессию удается поднять, но судя по данным, показанным на конференции FPA в декабре 2016  - все равно еще недостаточно: плазма не достигает нужной плотности примерно в три раза и разрушается неутойчивостями. А главное, все эти ухищрения, похоже, не совместимы с будущим реактором GF.Компрессор плазмы SPECTOR в симуляции и живьем. На картинке слева видна начальная и конечная форма плазменного тороида. Не ясно, как хитрая выбранная форма может быть перенесена в инжектор плазмы.Так, в погоне за теплоизоляцией плазмы GF применили в своем компрессоре плазмы литиевое покрытие камеры, уменшающее количество примесей в плазме. Однако, как мы помним, в дальнейшем планируется инжектировать плазму в вращающуюся свинцовую каплю, которую покрыть изнутри литием невозможно. Кроме того, форма компрессора SPECTOR выбрана очень специальная, а для инжекции в каплю нужно не только сжать тороид но и отправить его в свободный полет.Однако в сложившихся условиях GF делает все, что бы решить эту проблему хотя бы локально, получив параметры плазмы, которые нужны для инжекции в металлическую каплю. Собрав столько денег (и ответственности) очень сложно признавать тупик, но с каждым месяцем все больше похоже, что только чудо позволит, даже получив результат по плазме, перенести его в реактор.Литиевые испарители - широко распространенная среди создателей термоядерных установок практика.Думаю, что развязки истории с General Fusion осталось ждать меньше двух лет - если в следующем году GF не перейдет к сборке полного прототипа со свинцом, то у стартапа скорее всего уже не хватит на это ресурсов в дальнейшем.

Выбор редакции
23 августа, 23:48

Термоядерный стимпанк на одном крыле.

  • 0

Думаю все согласятся, что самым безумным и красивым термоядерным стартапом является канадский General Fusion с их идеей получения термоядерных микровзрывов внутри гигантской капли из расплавленного свинца, по которой бьют паровые молоты.Я уже подробно рассказывал про этот стартап пару лет назад подробно, пришло время посмотреть, что с ним произошло к настоящему времени. Общий вывод - дела идут не особо хорошо.Понятно, что создать термоядрный реактор крайне непросто. Смотря на историю нескольких десятков идей термоядерных реакторов, дошедших хотя бы до прототипов и "proof of concept", можно вывести примерно одинаковую траекторию - идея, неплохо выглядящая на салфетке в самых примитивных оценках неизбежно начинает наталкиваться на сложности при воплощении. Чаще всего эти сложности связаны либо с неустойчивостью плазмы, которая не желает "держать" невероятный градиент температуры или плотности от стенки реактора до точки, где идет термоядерная реакция либо с загрязнениями плазмы, который заставляют ее мгновенно терять энергию. В ответ на проникновение грубой реальности в чистую "салфеточную" идею авторы реактора начинают добавлять технических усложнений, призванных бороться с нежелательными факторами: улучшают вакуум, добавляют системы нагрева, усложняют конфигурацию магнитного поля, изготавляют более мощное, но при этом более презиционное устройство.Иллюстрация тезиса - открытая амбиполярная ловушка MFTF, проект, закрытый сразу после окончания строительства из-за разошедшихся оценок перспектив и стоимости.Причем процесс усложнения обычно дает падающую отдачу - и в какой-то момент становится ясно, что скорее всего в рамках очередной концепции не получится не то что реактор, но даже просто термоядерная реакция с достаточной мощностью (т.е. сопоставимой, скажем, с мощностью нагрева плазмы, параметр Q).Такую траекторию взлета и падения в свое время описали идеи z-pinch, классических стеллараторов, плазменного фокуса, классических и амбиполярных открытых ловушек, реактора MIGMA (о котором я давно хочу написать), Polywell и лазерного инерциального синтеза. Еще большее количество идей не дошли и до прототипов.Даже токамаки, которые показали в свое время возможность достижения Q=1, 10 и даже Q=бесконечность, по пути к этом настолько обрасли сложной инженериеей, что в общем-то сейчас оказываются неинтересными для нужд энергетики и продвигаются только как научные установки.Похоже, что эта печальная участь постепенно подкрадывается и к General Fusion. В 2009, когда стартап только получал свои первые деньги у них существовало намерение пройти разработку до прототипа термоядерного реактора с каким-то (небольшим) выходом термоядерной энергии к 2014 году. Считалось, что самая большая проблема с сферической симметрией сжимающего жидкометаллического лайнера преодолима, а с плазмой "все сделали предшественники".Симуляция сферически сходящихся ударных волн, которые будут обеспечивать финальное сжатие плазменного тороида в реакторе General FusionИ испытания реального поршня. Эта часть системы достигла нужных параметров по скорости и точности.Напомню, что GF собираются сжимать плазменный вихрь называемый "компактный тороид", сначала магнитным полем, а затем сходящейся в свинцовой капле ударной волной. Сжатие плазмы магнитным полем практически всегда сопровождается неустойчивостями и разрушением этой плазмы, и здесь первоначальный оптимизм GF натолкнулся на стену реальности еще в 2013 году, когда был создан первый прототип плазменного инжектора.Изначально процесс сжатия виделся так, но с этой конфигурацией плазменного компрессора-инжектора ничего не вышло.Поскольку деньги стартап собирал успешно (и собрал на сегодня порядка 130 миллионов долларов), то попутно со строительством стендов для отработки разных агрегатов будущего реактора строится ряд прототипов плазменных инжекторов-компрессоров в надежде найти правильный подход. В 2016 году возникает магнитный плазменный компрессор SPECTOR. Эта установка уже не является частью будущего реактора, а просто исследовательский стенд в попытке достичь нужного сжатия плазмы. Путем разных ухищрений компрессию удается поднять, но судя по данным, показанным на конференции FPA в декабре 2016  - все равно еще недостаточно: плазма не достигает нужной плотности примерно в три раза и разрушается неутойчивостями. А главное, все эти ухищрения, похоже, не совместимы с будущим реактором GF.Компрессор плазмы SPECTOR в симуляции и живьем. На картинке слева видна начальная и конечная форма плазменного тороида. Не ясно, как хитрая выбранная форма может быть перенесена в инжектор плазмы.Так, в погоне за теплоизоляцией плазмы GF применили в своем компрессоре плазмы литиевое покрытие камеры, уменшающее количество примесей в плазме. Однако, как мы помним, в дальнейшем планируется инжектировать плазму в вращающуюся свинцовую каплю, которую покрыть изнутри литием невозможно. Кроме того, форма компрессора SPECTOR выбрана очень специальная, а для инжекции в каплю нужно не только сжать тороид но и отправить его в свободный полет.Однако в сложившихся условиях GF делает все, что бы решить эту проблему хотя бы локально, получив параметры плазмы, которые нужны для инжекции в металлическую каплю. Собрав столько денег (и ответственности) очень сложно признавать тупик, но с каждым месяцем все больше похоже, что только чудо позволит, даже получив результат по плазме, перенести его в реактор.Литиевые испарители - широко распространенная среди создателей термоядерных установок практика.Думаю, что развязки истории с General Fusion осталось ждать меньше двух лет - если в следующем году GF не перейдет к сборке полного прототипа со свинцом, то у стартапа скорее всего уже не хватит на это ресурсов в дальнейшем.

Выбор редакции
20 августа, 15:03

Отчет BP за 2016 год - текущая ситуация в мировой энергетике (часть 2)

  • 0

Оригинал взят у za_neptunie в Отчет BP за 2016 год - текущая ситуация в мировой энергетике (часть 2) Различные типы источников энергии для мировой энергетики в 2016 году (в процентах) по данным BP.   Во второй части обзора перейдем к менее распространенным источникам энергии по сравнению с нефтью, природным газом и углем.Атомная энергетика (АЭС) Доля АЭС в мировой энергетике выросла до 17% в 2002 году, но к 2016 году несколько снизилась до 13.5%: Общее число работающих ядерных реакторов: Мировая атомная энергетика восстанавливается после кризиса вызванного аварией на японской АЭС Фукусима. В 2016 году на АЭС было выработано электроэнергии объемом около 592 млн. тонн н.э. против 635 млн. тонн н.э. в 2006 году. Мировое производство энергии на АЭС (млн. тонн н.э.): Крупнейшими производителями электричества на АЭС (больше 40 млн. тонн н.э.) являются США, Франция, Китай и Россия. До недавнего времени в этот список входили Германия и Япония. Как видно из графика наиболее активно сегодня атомная энергетика развивается в Китае и России. В настоящее время именно в этих странах строится наибольшее число АЭС: Число работающих ядерных реакторов по странам: Возраст работающих ядерных реакторов: Число включаемых и выключаемых ядерных реакторов: Большинство АЭС работают около 80% своего времени: Считается, что уран (топливо для АЭС) также является исчерпаемым ресурсом. График добычи и потребления урана на 2015 год: Основные производители урана в 2007-2016 годах: Мировые запасы урана: В настоящее время в России развивается направление атомных станций на быстрых нейтронах (замкнутого цикла), которые позволят решить проблему отработанного топлива и многократно уменьшить потребление урана. Кроме того обсуждается возможность добычи урана из океанской воды. По оценкам запасы урана в океанской воде составляют около 4.5 миллиардов тонн, что эквивалентно 70 тысячам лет современного потребления.   Одновременно продолжают развиваться технологии термоядерного синтеза. В настоящее время с 2013 года во Франции сооружается экспериментальная термоядерная установка ITER. Общие затраты на международный проект оцениваются в 14 миллиардов долларов. Ожидается, что завершение строительства этой установки произойдет в 2021 году. На 2025 год запланировано начало первых испытаний, на 2035 года полномасштабная эксплуатация установки. После создания ITER планируется создать к середине 21 века ещё более мощный термоядерный реактор DEMO: Подробнее о развитие направления ядерных и термоядерных реакторов можно прочитать в блоге tnenergy.Гидроэлектростанции (ГЭС)  Гидроэнергетика в настоящее время является самым крупным источником возобновляемой энергии. Мировая выработка гидроэнергии выросла с середины 20 века в несколько раз (в 2016 году рост на 2.8% до 910 тонн н.э. по сравнению со среднегодовым ростом в 2.9% в 2005-2015 годы): В то же время доля гидроэнергии в мировой энергетике за указанный период выросла всего с 5.5% до 7%: Крупнейшими производителями гидроэнергии являются Китай, Канада, Бразилия, США, Россия и Норвегия.Из этих стран, 2016 год стал рекордным по выработке гидроэлектроэнергии для Китая, России и Норвегии. В остальных странах максимумы пришлись на прошлые годы: Канада (2013 год), США (1997 год), Бразилия (2011 год). Мировой гидропотенциал оценивается почти в 8 тысяч терраваттчасов (в 2016 году выработка гидроэнергии составила около 4 тысяч терраваттчасов).СА – Северная Америка, ЕВ – Европа, ЯК – Япония и Республика Корея, АЗ – Австралия и Океания, СР – бывший СССР, ЛА – Латинская Америка, БВ – Ближний Восток, АФ – Африка, КТ – Китай, ЮА – Южная и Юго-Восточная Азия.Дешевыми (категория 1) считаются гидроресурсы, обеспечивающие производство электроэнергии со стоимостью не выше чем тепловые электростанции на угле. Для более дорогих ресурсов стоимость электроэнергии возрастает в 1,5 раза и более (до 6–7 цент/кВт⋅ч). Почти 94% из еще не используемых дешевых гидроресурсов сосредоточено в пяти регионах: бывшем СССР, Латинской Америке, Африке, Южной и Юго-Восточной Азии и Китае (табл. 4.10). Вполне вероятно, что при их освоении возникнет ряд дополнительных проблем, в первую очередь экологических и социальных, связанных, в частности, с затоплением больших территорий. Особенностью гидроэнергетики России, Латинской Америки, Африки и Китая является большая удаленность районов богатых гидроресурсами от центров потребления электроэнергии. В Южной и Юго-Восточной Азии значительный гидропотенциал сосредоточен в горных районах материка и на островах Тихого океана, где часто нет адекватных потребителей электроэнергии.Более половины из оставшихся для освоения дешевых гидроресурсов находится в тропической зоне. Как показывает опыт существующих здесь ГЭС, устройство в таких районах крупных водохранилищ неизбежно порождает комплекс тяжелых экологических и социальных (в том числе медицинских) проблем. Гниение водорослей и «цветение» стоячей воды настолько ухудшают ее качество, что она становится непригодной для питья не только в водохранилище, но и ниже по течению реки.   В условиях тропического климата водохранилища оказываются источником многих заболеваний (малярия и т.п.).Учет отмеченных обстоятельств и ограничений может перевести часть дешевых ресурсов в категорию дорогих и даже вывести за пределы экономического класса.     20 стран с наибольшим резервом по гидропотенциалу: Карта расположения крупнейших ГЭС в 2008 и 2016 годах:Карта расположения крупнейших строящихся и планируемых ГЭС на 2015 год:Таблицы крупнейших нынешних и строящихся ГЭС:Строительство ГЭС сталкивается с большим сопротивлением экологов, которые сомневаются в целесообразности подобного типа электростанций в связи с затоплением больших площадей во время создания водохранилищ. Так в первой десятке крупнейших искусственных водохранилищ (по общей площади) нет ни одного, которое было создано после 70х годов 20 века:Похожая ситуация среди крупнейших водохранилищ по объему: Создание крупнейшего по площади водохранилища в Гане (озеро Вольта) привело к переселению около 78 тысяч человек из зоны затопления. Проекты поворота рек на юг существовали не только в СССР, но и в США. Так в 50х годах был разработан план NAWAPA (North America Water and Power Alliance), который предусматривал создание судоходных путей от Аляски до Гудзонова залива, и переброски воды в юго-западные засушливые штаты США. Одним из элементов плана должна была стать 6 ГВт-ая ГЭС на реке Юкон с площадью водохранилища в 25 тысяч км2.БиотопливоПроизводство биотоплива также характерно быстрым ростом. В 2016 году производство биотоплива составило 82 млн. тонн н.э. (рост на 2.5% по сравнению с 2015 годом). Для сравнения в период с 2005-2015 годы производство биотоплива росло в среднем на 14%.С 1990 по 2016 годы доля биотоплива в мировой энергетике выросла с 0.1% до 0.62%:Крупнейшими производителями биотоплива являются США и Бразилия (около 66% мирового производства): В настоящее время для производства биотоплива используется около 30 миллионов гектаров земли. Это примерно 1% от всех сельскохозяйственных угодий планеты (около 5 миллиардов гектаров, из них пашня около 1 миллиарда гектаров). Структура селькохозяейственных угодий планеты:К началу 19 века мировая площадь искусственно орошаемых земель составляла 8 млн. га, к началу 20 века — 40 млн. и к настоящему времени — 207 млн. га.    В то же время в США на производство биотоплива уходит больше третьей части урожая зерновых:Мировое производство зерновых в 1950-2016 годах:Рост производства зерновых в мире в основном был связан с ростом урожайности при слабых изменениях посевных площадей:Ветровая энергетика (ВЭС)Мировое производство этого вида энергии также быстро растет со временем. В 2016 году рост составил 15.6% (с 187,4 до 217,1 млн. тонн н.э.). Для сравнения среднегодовой рост в 2005-2015 годы составлял 23%.Доля в мировой энергетике выросла до 1.6% в 2016 году:                               Крупнейшими производителями энергии из ветра являются Китай, США, Германия, Индия и Испания: Быстрый рост производства энергии из ветра продолжается во всех этих странах, кроме Германии и Испании. В них максимум производства энергии из ветра достигнут в 2015 и 2013 годах соответственно. Другие страны с крупным производством энергии из ветра:Средний фактор загрузки в мире равен 24-27%. Для разных стран этот параметр сильно различается: от 39.5% для Новой Зеландии (34-38% в Мексике, 33-36% в США, 36-43% в Турции, 36-44% в Бразилии, 39% в Иране, 37% в Египте) до 18-22% в Китае, Индии и Германии. По оценкам потенциал ветровой энергетики в 200 раз превышает текущие потребности человечества (второе место после солнечной энергетики):Весь вопрос лишь в том, что эта энергия является очень непостоянной.Солнечная энергетика (СЭС)Производство энергии Солнца быстро растет: только с 2015 по 2016 год оно выросло с 58 до 75 млн. тонн н.э. (на 29.6%). Для сравнения среднегодовой рост за 2005-2015 годы составил 50.7%.К 2016 году доля солнечной энергетики в мировой энергетике выросла до 0.56%:Крупнейшими производителя солнечной энергии являются Китай, США, Япония, Германия и Италия:Из них производство энергии замедлилось в Германии и Италии: c 8.8 и 5.2 до 8.2 и 5.2 млн. н.э. в 2015 и 2016 годах соответственно. Также быстрый рост производства солнечной энергии наблюдается и в других странах:Средний фактор загрузки для мира равен около 10-13%. В то же время он сильно колеблется от 29-30% для Испании и 25-30% для ЮАР до 11% в Германии. Считается, что солнечная энергетика обладает наибольшим ресурсным потенциалом:Весь вопрос заключается в непостоянстве этой энергии.Производство энергии из биомассы (биогаза), геотермальной энергии и других экзотических направлений энергетики (к примеру, приливной энергетики)Отчет BP показывает значительный рост подобных направлений за последние десятилетия: В 2016 году рост по сравнению с прошлым годом составил 4.4% (с 121 до 127 млн. тонн нефтяного эквивалента). Для сравнения среднегодовой рост за период в 2005-15 годы был равен 7.7%. Доля в мировой энергетике этого направления выросла с 0.03% в 1965 году до 0.96% в 2016 году:Крупнейшими производителями подобной энергии являются США, Китай, Бразилия и Германия:Кроме того большое производство подобной энергии осуществляется в Японии, Италии и Великобритании:Глобальное потепление:Кроме перечисленных источников энергии важным фактором мировой энергетики является климатические изменения. В перспективе глобальное потепление может значительно снизить затраты цивилизации на отопление, которые являются одними из основных затрат энергии для северных стран. Потепление является наиболее сильным именно для северных стран, и именно в зимние месяцы (наиболее холодные месяцы).    Карта среднегодовых температурных трендов:Карта температурных трендов за холодный сезон (ноябрь - апрель):Карта температурных трендов за зимние месяцы (декабрь - февраль):Объем мировых выбросов СО2:Максимум выбросов был достигнут в 2014 году: 33342 млн. тонн. С тех пор произошло некоторое снижение: в 2015 и 2016 года объём выбросов составил 33304 и 33432 млн. тонн соответственно.ЗаключениеИз-за ограниченного размера поста мне не удалось подробно осветить наиболее быстро развивающееся направления мировой энергетики (СЭС и ВЭС), где наблюдается ежегодный рост на десятки процентов (вместе с огромными потенциальными ресурсами для освоения). Если есть желание читателей, то можно будет рассмотреть эти направления в следующих постах более детально. В целом, если взять динамику за последний год (2015-2016 годы), то мировая энергетика за этот период выросла на 171 млн. тонн н.э.. Из них:1)      + 30 млн. тонн н.э. - ВЭС2)      + 27 млн. тонн н.э. – ГЭС3)      + 23 млн. тонн н.э. – нефть4)      + 18 млн. тонн н.э. - природный газ5)      + 17 млн. тонн н.э. – СЭС6)      + 9 млн. тонн н.э. – АЭС7)      + 6 млн. тонн н.э. - экзотические ВИЭ (биомасса, биогаз, геотермальные ЭС, приливные ЭС)8)      + 2 млн. тонн н.э. - биотопливо9)      – 230 млн. тонн н.э. – уголь     Это соотношение показывает, что борьба за экологию в мире набирает обороты – использование ископаемого топлива сокращается (особенно угля) с одновременным наращиванием использования ВИЭ. В то же время остаётся проблема непостоянства и дороговизны ВИЭ (доступных технологий для аккумулирования этой энергии по прежнему нет), развитие которых в значительной мере стимулируется за счет государственных субсидий. В связи с этим интересно мнение читателей о том, какой источник энергии станет главным к середине 21 века (сейчас это нефть – 33% мировой энергетики в 2016 году).View Poll: Какой источник энергии будет главным в мировой энергетике в 2050 году?