Энергообеспечение является одной из главных мировых проблем. Технология термоядерного синтеза потенциально может решить эту проблему, предоставив человечеству легко регулируемый, безопасный и экологически чистый источник энергии, который одновременно будет помогать нам в борьбе с изменениями климата и при этом стимулировать экономический рост. Полагаясь на многолетний опыт исследований в области физики плазмы, материаловедения и компьютерного моделирования, компания General Fusion разрабатывает первый в мире экономически выгодный термоядерный реактор.
Так чем же наши разработки отличаются от других?
Разработка нового источника энергии сопряжена многочисленными трудностями и неопределённостью, поэтому для уменьшения рисков компания General Fusion выполняет свои исследовательские и конструкторские проекты поэтапно, основываясь на результатах моделирования в ANSYS. Один из таких проектов заключался в испытании технологии сжатия жидкого металла, который является рабочим телом реактора General Fusion.
Основой системы General Fusion служит сфера, заполненная жидким металлом, который подаётся в неё вдоль горизонтального диаметра таким образом, чтобы закрутить жидкий металл и создать воронку. В эту воронку импульсно вводится порция топлива, доведённого до состояния плазмы и удерживаемого магнитным полем. На поверхности сферы размещен ряд поршней для создания ударной волны, которая схлопывает воронку в центре камеры, сжимает плазму и инициирует термоядерную реакцию. Процесс повторяется циклически, а тепло, выделенное в ходе реакции, рассеивается в жидком металле. Далее оно используется для нагрева пара и приведения в движение паровых турбин, генерирующих электричество.
Моделирование в ANSYS дало ответы на многие вопросы
Проект, о котором идёт речь, заключался в разработке системы подачи жидкого металла и системы синхронизации поршней. Параллельно и независимо проводилась разработка системы инжекции плазмы.
Вращающаяся воронка из жидкого металла является новаторской системой, и результаты моделирования показали, что для достижения желаемой степени сжатия плазмы, удерживаемой магнитным полем, ударная волна должна обладать высокой однородностью. Это значит, что необходимо до миллисекунд синхронизировать работу множества поршней, каждый из которых имеет массу в 100 килограммов.
В ходе предыдущего проекта мы исследовали ряд конструкций поршня. Нам удалось достигнуть скорости в 50 м/с – с ней поршень подходит к ударнику в торце цилиндра, который создаёт акустическую ударную волну сжатия в жидком металле. Задержка регулируется с помощью тормозной системы на пьезоэлементах, что позволяет синхронизировать работу поршней с точностью до 10 миллисекунд, вполне достаточной для сжатия плазмы.
Чтобы продемонстрировать возможность совместной работы системы подачи жидкого металла и сферической системы поршней, мы построили прототип системы сжатия в натуральном масштабе. При разработке этой системы мы полагались на расчёты механики в продукте ANSYS Explicit STR, лицензия на который была получена по Startup-программе ANSYS. Это позволило нам отмоделировать динамическую нагрузку на конструкцию, возникающую в результате воздействия импульсов от четырнадцати больших поршней, ударяющих с большой скоростью в камеру с пятью тонами жидкого свинца под высоким давлением, прокачиваемого с расходом 100 кг/с. На этом этапе проекта платформа ANSYS, нацеленная на прикладные разработки, позволила нашей команде быстро проработать различные варианты конструкций.
Примерно год заняла постройка прототипа. После ввода в эксплуатацию была проведена серия успешных экспериментов: мы произвели сжатие при одновременном запуске всех 14 поршней и получили бесценные данные о поведении жидкого металла, системы его удержания и о воронке. В ходе испытаний результаты моделирования подтвердились реальными измерениями с помощью тензодатчиков, датчиков давления и перемещений, что в очередной раз доказало точность расчётов в ANSYS.
Что же дальше?
После завершения этой фазы разработки компания General Fusion продолжает исследования по совершенствованию своих технологий по работе с плазмой и готовится к разработке демонстрационного термоядерного реактора, призванного стать источником чистой энергии будущего.
Источник: www.ansys-blog.com
Автор: David Plant