Институт физики токамаков Москва, 123182, Россия Э.А. Азизов, П.Н. Алексеев, Б.В. Кутеев благодарности: В.А. Беляков 1), А.Н. Калашников 2), С.В.Лебедев. - презентация

1 Институт физики токамаков Москва, , Россия Э.А. Азизов, П.Н. Алексеев, Б.В. Кутеев благодарности: В.А. Беляков 1), А.Н. Калашников 2), С.В.Лебедев 3), А.В. Лопаткин 4), В.Д. Рисованый 2), В.Е. Черковец 5) 1) НИИЭФА, 2) ГК РФ «Росатом», 3) ФТИ, 4) НИКИЭТ, 5) ТРИНИТИ Коррекция дорожной карты Российской термоядерной стратегии Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино NATIONAL RESEARCH CENTER KURCHATOV INSTITUTE НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

2 ГОДЫ: Промышленная термоядерная электростанция Заседание Правительства Российской Федерации Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ ИНДИКАТОРЫ: 1. Q – отношение термоядерной мощности к затраченной на создание плазмы 2. Количество рабочих мест 3. Объем экспорта термоядерных технологий Этапы овладение энергией термоядерного синтеза Современный уровень Экспериментальный реактор (ИТЭР) Длительная реакция, Интеграция технологий Демонстрационная станция (ДЕМО) Электрическая мощность 1 ГВт Равенство затрат и выработки энергии стационарно Q~1 10 секунд Q> секунд Q~5 стационарно Q~30-50 стационарно

3 Объемы и источники финансирования Концепции Общие затраты на реализацию (в ценах 2007 года) - 515,6 млрд. рублей, в том числе: из федерального бюджета - 461,9 млрд. рублей из внебюджетных средств – 53,7 млрд. рублей годы 50,7 млрд. рублей годы 111,6 млрд. рублей годы 353,3 млрд. рублей Распределение затрат по статьям бюджета Федеральные целевые программы Внепрограммные мероприятия В Внебюджетная составляющая Международные обязательства Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ Заседание Правительства Российской Федерации

4 ИТОГИ работы В июне 2013 года по инициативе Е.П. Велихова была создана рабочая группа по разработке гибридной программы 2.Цель – сформулировать концепцию ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЗНАЧИМОЙ установки со сроками сооружения до 2030 года и к концу 2013 года подготовить документы для представления в Правительство РФ. 3.Члены Рабочей группы поименованы в авторах доклада. 4.Работа концентрировалась вокруг ОПГР и ЖИДКО-СОЛЕВЫХ технологий ядерного топливного цикла 5.Концепция была представлена на совещаний на совещании Е.П. Велихова в НИЦ КИ 6.Концепция одобрена на заседании секции НТС ГК «Росатом» 13 декабря, В поддержку концепции были начаты работы по техническому проектированию установки ДЕМО-ТИН Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

5 1. Мотивация работ по гибридным системам 2. Концепция программы разработки и создания пилотного опытно- промышленного гибридного ядерного реактора гг. 3. Дорожная карта реализации концепции 4. Техническое проектирование ДЕМО- ТИН План доклада Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

6 Стратегия 2013 овладения энергией термоядерного синтеза T-15ИТЭРДЕМОПТЭ ДЕМО-ТИН Стенды базовых плазмофизических и ядерных технологий ОПГР Стенды жидкосолевых технологий Физика плазмы Ядерная физика и технологии Ядерные энерготехнологии нового поколения Гибрид Термояд

7 Стратегия США объединяет ИТЭР и нейтронные установки на пути к реактору

8 Рассмотренные применения гибридных систем: НАРАБОТЧИК ТОПЛИВА с подавленным делением и непрерывной переработкой ЖС-смеси ТРАНСМУТАТОР на основе ЖС технологий с выработкой электроэнергии. Оценка: Pfus = 60 МВт, Pfis = 1,2 ГВт, Pele = 400 МВт утилизация МА ММА = 600 кг/год Оценка: Pfus = 60 МВт, Mfis = 300 кг, Pth = 210 МВт ПОДКРИТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ на U238 или Th232 c ЖС теплоносителем. Оценка: Pfus = 100 МВт, Pfis = 1500 МВт, Pelectric = 500 МВт Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

9

10

11

12 ДОРОЖНАЯ КАРТА ПРОЕКТА ОПГР -ПИЛОТНОГО ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ГИБРИДНОГО РЕАКТОРА СИНТЕЗ-ДЕЛЕНИЕ на НИР и НИОКР Исследования на новых токамаках ДЕМО-ТИН, ТИН-К, Глобус-М3, Т-15 Технологии стационарных токамаков и источников нейтронов Жидко-солевые ядерные технологии бланкета ТИН Проектные работы Объекты капитального строительства Опытно-промышленный гибридный реактор ОПГР Демонстрационный нейтронный источник ДЕМО-ТИН Компактный нейтронный источник ТИН-К Сферический токамак Глобус-М3 Стенды стационарных технологий токамака Стенды жидко-солевых технологий бланкета Научный руководитель:ФГБУ НИЦ «Курчатовский институт» Главный конструктор:ФГУП «НИИЭФА» им. Д.В. Ефремова Главный конструктор бланкета:ОАО «НИКИЭТ» Генеральный проектировщик:ОАО «Головной институт ВНИПИЭТ» Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

13 Основные стенды и установки на пути к ОПГР и ПГР Магнитная система Вакуумная камера Дивертор Бланкет Дистанционное обслуживание Нагрев и генерация тока Тритий и откачка Диагностики Безопасность Жидкие соли Опытно-промышленный гибридный реактор 2030 P=500 МВт(т), Q eng ~1 Стационарные технологии Материалы и компоненты СТ&ЖС Т-15 и Глобус-М3 ДЕМО-ТИН DT-нейтроныMS blankets Промышленный гибридный реактор 2040 P=3 ГВт(т), Q eng ~6,5 P=1,3 ГВт(е), P=1,1 ГВт(н), MA=1 т/год, FN=1,1 т/год Гибридные технологии Интеграция стационарных технологий Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

14 Параметры и Экономика Промышленного гибридного реактора Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

15 Параметры и Экономика Промышленного гибридного реактора реактора Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

16 Обоснование реализуемости опытно-промышленного гибридного термоядерного реактора к 2030 году 1.Режимы с Q~1 сегодня реализованы на токамаках 2.Температура плазмы, необходимая для ДТ-синтеза, Т ~4 кэВ продемонстрирована в многочисленных экспериментах 3.Режимы с неиндукционным поддержанием тока получены в классических и близки к демонстрации в сферических токамаках 4.Снижение требований по нейтронной нагрузке в ОПГР до 0,2 МВт/м 2 и радиационных доз до 2 МВт-лет/м 2 позволяет использовать материалы, производящиеся промышленностью 5.Экономика ОПГР является приемлемой в случае комплексного использования продуктов – пережигание МА, выработка электроэнергии, наработка трития и топливных нуклидов для U-Pu и Th-U ядерных топливных циклов 6.Имеется кооперация организаций и высококвалифицированные кадры 7.Разработаны системные модели и коды, обосновывающие параметры гибридных систем Время (сек) Термоядерная мощность (МВт) ОПГР, ДЕМО-ТИН Глобус-М3 Q bf ~1~T e (кэВ)/4 Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

17 Конструкционные и функциональные материалы Проекта ОПГР Конструкционные материалы: аустенитные стали 12Х18Н10Т (SS316) ЧC-68 ЭК-164 никелевые сплавыхастеллой ванадиевые сплавыV-(4-9)Cr-(0.1-8)W-(1-2Zr) V-4Cr-4Ti Материалы магнитной системыCu CuCrZr Nb 3 Sn NbTi MgB 2 ИзоляторыMgAl 2 O 4 CaO Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

18 В гибридных системах требования к материалам снижены более чем на порядок!

19 Новые возможности опытно-промышленного гибридного термоядерного реактора в ЯЭТНП 1.Подкритические активные зоны 2.Минимизация делящихся нуклидов в активной зоне 3.Непрерывный цикл переработки топливной смеси 4.Вовлечение Th232 и U238 в ядерный топливный цикл 5.Снижение наработки МА 6.Переработка продуктов деления 7.Снижение запаса реактивности на выгорание ТР 8.Исключены аварии, связанные с реактивностью и потерей теплоотвода Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

20 Риски при сооружении опытно-промышленного гибридного термоядерного реактора 1.Низкий уровень проектной проработки гибридных систем (эскизный, либо предпроектный) 2.Стационарные технологии токамака нуждаются в существенном увеличении ресурса ( с минут до ~5000 часов) 3.Ядерные физика и технологии термоядерного синтеза требуют дополнительных НИР и НИОКР 4.Жидко-солевые ядерные технологии гибридного бланкета и радиохимической части требуют вывода на демонстрационный уровень 5.Недостаточная информация о работе токамаков в условиях повышенных плазменных нагрузок, неиндукционных режимов поддержания тока, сильно-неравновесной плазмы 6.Скудная база данных по радиационным повреждениям материалов в спектре термоядерных 14 МэВ нейтронов 7.Выбор материалов и солевых композиций для ЖС бланкетов и радиохимических систем предстоит сделать 8.Задержки лицензирования Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

21 R, м2.5 R/a δ0.5 I p, MA B T, Tл n, м P ntn /S, MВт/м E b, кэВ500 P b, МВт3030 Угол NBI, градус0 P EC, МВт6 H-factor1.2 βNβN

22 Пробой в ДЕМО-ТИН 0 10 Vs B Z max 12 T R, cmZ, cm R, cm Z, cm I, MA*t PF1_U PF1_L PF2_U PF2_L PF3_U PF3_L PF4_U PF4_L PF5_U PF5_L PF6_U PF6_L CSU CSU CS CSL CSL Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

23 Генерация тока и мощность синтеза в ДЕМО-ТИН Мощность синтеза и его компонент (синтез на пучке и термоядерный синтез) от плотности плазмы Стационарный ток и его компоненты от плотности плазмы Системные коды подтверждают возможность достижения проектных параметров ДЕМО-ТИН и нейтронной нагрузки более 0,2 МВт/м 2 Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

24 Разработаны конструкции первой стенки и вакуумной камеры, магнитной системы, дивертора, топливного цикла токамака ДЕМО-ТИН Проанализированы базовые варианты банкетов, (топливо, трансмутация, энергия), диагностического комплекса, системы дистанционного обслуживания В 2014 году появятся макеты -Первой стенки -Диверторных пластин -Элементов диагностических систем -Системы инжекции лития Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

25 Общий вид ДЕМО-ТИН (2023) Демонстрация гибридных технологий Наработка трития, Делящихся нуклидов, Уничтожение долгоживущих радионуклидов Технологии отвода тепла Мощность синтеза 40 МВт Мощность подкритического деления до 500 МВт Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

26 Площадка ДЕМО-ТИН Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

27 График проектирования и сооружения ТИН Исходные данные Техническое предложение Техническое задание Эскизный проект Технический проект Рабочий проект Здания+площадка Электропитание Водоснабжение Инструменты сборки Система охлаждения Криогенная система Магнитная система Вакуумная камера Дивертор Бланкет Нагрев+генерация тока Топливный цикл Диагностики Аварийная защита Система безопасности Управление, сбор данных Лицензирование Дистанционное обслуживание Радиохимическая часть Затраты млн. рублейИТОГО Токамак наработчик ядерного топлива U233, Pu239 Термоядерный источник нейтронов

28 R, m0.6 R/a1.76

29 Стенды для развития и демонстрации жидко-солевых технологий Изучение свойств материалов и характеристик теплообмена в реакторных петлях Технологии очистки расплавов Коррозионные эксперимента в расплавах Эксперименты с реакторными петлями Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

30 Параметры гибридных бланкетов Жидко-солевые бланкеты Hear exchanger, primary loop Hear exchanger, secondary loop Heat transfer Molten salt 85% FLiNaK+15% ThF 4 580ºС 5.86 kg/s 550ºС 1 bar Molten salt 92% NaBF 4 +8% Na F 539ºС 480ºС 1.7 kg/s 140ºС 10 bar water 20ºС Molten salt blanket module Thermal power 175 kW Primary loop Secondary loop Cooler Drain vessel Storage Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

31 Ключевые события Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

32 Ключевые события Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

33

34 Дорожная карта 2 Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

35 Дорожная карта 3 Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

36 Национальная база УТС Северо-западный федеральный округ НИИЭФА, ФТИ РАН, СПБГПУ, СПбГУ Центральный федеральный округ РНЦ «Курчатовский институт», НИКИЭТ, ВНИИНМ, ТРИНИТИ, ОИВТ РАН ИОФ РАН ИПМ РАН ФИ РАН МИФИ, МГТУ, МФТИ, МЭИ Приволжский федеральный округ ИПФ РАН, ВНИИЭФ, ННГУ Сибирский федеральный округ ИЯФ СОРАН, ИСЭ РАН, НГУ, ТГПУ, Исследования, технологии, кадры Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ Заседание Правительства Российской Федерации

37 1 г нейтронов в день! 365 г нейтронов в год 1 кг трития в год 100 $M в год продукцииTритий 80/320 кг в годПлутоний/Уран 3 М$ в год при 1 н-нукл 12 М$ в год при 4 н-нукл 20 МВт мощности Д-Т синтеза 260 МВт мощности прямого деления U238/Th МВт мощности на гамма-захвате 4 нейтронов 5 МВт мощности на альфа-захвате лития 40 МВт мощности нагрева 130 МВт + 20 МВт нагрев плюс поле ~Мощность теплоотвода 500 МВт 200 МВт электроэнергии 200 $M в год продукции Электричество МА при keff = 0,95 можно уничтожить до 500 кг/год ОПГР ~ Мечта И.В. Курчатова ОГРА Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино

38 Заключение Предложена программа НИОКР и дорожная карта создания ОПГР на основе токамака и жидкосолевых технологий к 2030 году. Начаты работы по техническому проектированию демонстрационной гибридной установки ДЕМО- ТИН Моделирование подтверждает техническую реализуемость ДЕМО-ТИН и ОПГР Проект ОПГР совместно с ИТЭР способен внести существенный вклад в создание ПТЭ к 2050 году Б.В. Кутеев, Зимняя школа ПИЯФ, Рощино