День, когда создадут первую коммерческую установку управляемого термоядерного синтеза, станет историческим. Ведь термоядерная энергия является очень перспективным направлением и может в будущем решить большинство проблем, связанных с возобновляемой и ядерной энергетикой.

Проект «WEST» – экспериментальный термоядерный реактор типа токамак со сверхпроводящими катушками и вольфрамовыми стенками

Главные преимущества термоядерной энергетики:

• в результате термоядерного синтеза не вырабатываются радиоактивные отходы (за исключением самого корпуса реактора);
• во время термоядерного синтеза в атмосферу не выбрасываются вредные вещества и парниковые газы;
• в отличие от солнечной и ветровой энергетики, термоядерные реакторы компактны, могут работать в любых погодных условиях и вырабатывать электроэнергию непрерывно.

Что же сдерживает развитие термоядерной энергетики? Дело в том, что для осуществления термоядерной реакции топливо в термоядерном реакторе необходимо нагреть до температуры свыше 150 миллионов градусов по Цельсию (270 миллионов по Фаренгейту). Главная инженерная задача заключается в том, чтобы найти безопасный и надёжный способ поддерживать и контролировать эту температуру.

Используя программное обеспечение Ansys для междисциплинарных расчётов, французский Комиссариат по атомной энергии (CEA – Commissariat a l'energie atomique) работает над решением проблем, связанных с термоядерным синтезом.

Как в термоядерных реакторах достигают такой высокой температуры?

Расчёт распределения давления в системе охлаждения антенны термоядерного реактора

Учёные из CEA работают с экспериментальной установкой под названием «WEST» (ранее проект назывался «Tore Supra»), расположенной в исследовательском центре Кадараш (Cadarache) во Франции. Это термоядерный реактор типа токамак со сверхпроводящими катушками, вольфрамовыми (отсюда буква W в аббревиатуре) стенками и дивертором.

Для достижения необходимой для термоядерной реакции температуры используется плазма – четвёртое агрегатное состояние вещества, при котором электроны движутся свободно от ядер атомов. Поскольку плазма является проводником, при пропускании через неё тока выделяется тепло. Однако при нагреве плазмы её удельное сопротивление уменьшается, поэтому таким способом температуру в реакторе WEST удаётся довести не более чем до нескольких десятков миллионов градусов Цельсия.

В целях дальнейшего повышения температуры, реактор WEST оснащён антеннами для передачи в плазму высокоэнергетического радиочастотного излучения. Эти антенны расположены очень близко от очага термоядерной реакции. А это означает, что они должны выдерживать экстремальные тепловые нагрузки, чтобы обеспечить безопасную работу реактора.

При помощи компьютерного моделирования можно проверить, выдержит ли антенна термоядерного реактора высокую температуру без риска для каких-либо прототипов или оборудования.

Применение моделирования для обеспечения безопасной работы антенны термоядерного реактора

Результаты расчёта в программном продукте Ansys SPEOS (справа) совпадают с данными датчиков температуры (слева)

Расчёт термоядерного реактора – это междисциплинарная задача. Именно возможности проведения связанных междисциплинарных расчётов и обмена информацией между различными программными продуктами позволяют моделировать работу оборудования в реальных условиях. Поэтому для моделирования реактора WEST специалисты из CEA используют такой набор программных продуктов:

• Ansys Mechanical для выполнения прочностного расчёта антенны;
• Ansys Fluent для расчёта процессов термо- и гидродинамики в каналах охлаждения реактора;
• Ansys HFSS для обеспечения максимальной передачи энергии от антенны к плазме;
• Ansys SPEOS для оптимизации и проверки датчиков температуры.

Подробнее о том, как специалисты из CEA используют эти инструменты компьютерного моделирования для оптимизации термоядерного реактора WEST, можно прочесть в статье журнала Ansys Advantage (на английском языке): Protecting Fusion Reactors from Extreme Heat.

Источник: ansys.com
Автор: Ahmad Haidari