High-power Energy Storages for Plasma Installations
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-6-28-37Keywords:
capacitive energy storages, switches, plasma installationsAbstract
Capacitive energy storages are among the most common types of energy storages. They are used in regenerative power supply systems, industrial electronics, and emergency and backup power supply systems. The main functional components of сapacitive energy storage devices are capacitor banks combined into blocks or modules, and switches, which fully determine the output characteristics of this device. The сapacitive energy storage models and the switches used in them are considered, and conclusions have been drawn about the possibility of using them in the 2MK-200 installation.
References
1. Барбарино М. Что такое термоядерный синтез? [Электрон. ресурс] https://www.iaea.org/ru/newscenter/news/chto-takoe-termoyadernyy-sintez (дата обращения 17.08.2024).
2. Yirka B. NIF Fusion Breakeven Claims Peer Reviewed and Verified by Multiple Teams [Электрон. ресурс] https://phys.org/news/2024-02-nif-fusion-breakeven-peer-multiple.html (дата обращения 03.08.2024).
3. Van Easter D. Recent H-majority Inverted Radio Frequency Heating Scheme Experiments in JET-ILW // EPJ Web Conf. 2017. V. 157. Pp. 1—4.
4. Jiansheng Hu e. a. All Superconducting Tokamak: EAST // AAPPS Bull. 2023. V. 33. Pp. 1—24.
5. Helion Energy [Электрон. ресурс] https://www.helionenergy.com/technology/ (дата обращения 26.07.2024).
6. Костюшин В.А. и др. Плазменная установка МК-200 // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 6. C. 28—34.
7. Долан Т. Использование плазменных технологий и ускорителей в целях развития расширение возможностей // Бюллетень МАГАТЭ. 2000. № 42. С. 41—46.
8. Горяинов В.Ю., Воронин А.В. Об ограничении скорости движения плазмы в электродинамическом ускорителе // Физика плазмы. 2022. № 4. С. 300—305.
9. Пат. № 2696975 РФ. Плазменный ускоритель / Вовченко Е.Д. и др. // Бюл. изобрет. 2019. № 22.
10. Пат. № 2100916 РФ. Ускоритель плазмы / Гришин С.Д. и др. // Бюл. изобрет. 1997.
11. Бойченко А.М. и др. Плазменные и газовые лазеры. Томск: Изд-во STT, 2017.
12. Liebfried O. Review of Inductive Pulsed Power Generators for Railguns // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45(7). Pp. 1108—1114.
13. Liebfried O., Brommer V., Scharnholz S. Development of XRAM Generators as Inductive Power Sources for Very High Current Pulses // Proc. 19th IEEE Pulsed power Conf. San Francisco, 2013. Pp. 1—6.
14. Никитин В.В., Середа Г.Е., Середа Е.Г., Середа А.Г. Экспериментальные исследования заряда несверхпроводникового индуктивного накопителя энергии // Инновационные транспортные системы и технологии. 2016. Т. 2(1). С. 126—135.
15. Лотоцкий А.П. Физические механизмы при выводе магнитной энергии из индуктивных накопителей в мощных импульсных системах: дис. … доктора физ.-мат. наук. М.: ОИВТ РАН, 1999.
16. Ali M.T., Wu B., Dougal R.A. An Overview of SMES Applications in Power and Energy Systems // IEEE Trans. Sustainable Energy. 2010. V. 1(1). Pp. 38—47.
17. Ефремов Д.Г. Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме: дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2018.
18. Yuyao Huang, Yi Ru, Yilan Shen, Zhirui Zeng. Characteristics and Applications of Superconducting Magnetic Energy Storage // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2108. Pp. 1—10.
19. Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы // Успехи физических наук. 1966. Т. 88(4). С. 725—734.
20. Beard K.W. Linden's Handbook of Batteries. N-Y.: McGraw-Hill Education, 2019.
21. Кулуев Ж. Анализ применения емкостных накопителей энергии для энергообеспечения объектов цифровых технологий // Science and Innovation. 2024. V. 3. Iss. 17. Pp. 230—234.
22. Шурыгина В. Суперконденсаторы. Размеры больше, мощность выше // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 7. С. 10—20.
23. Жданов В.В., Коштял Ю.М., Кузнецов В.П. Анализ основных показателей современных суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов для задач создания высокомощных источников тока [Электрон. ресурс] https://rusbat.com/Interbat22032017/IoffeInterbat2017.pdf (дата обращения 05.08.2024).
24. Жилин Е.В., Долгаль С.В., Малышева А.Д. Перспективы применения накопителей электроэнергии в энергетических системах // Энергетические системы. 2023. Т. 8(3). С. 32—41.
25. Ramazanov R.F. Conceptual Design of 2 MJ Capacitive Energy Storage // Defence Technology. 2018. V. 14 (5). Pp. 622–627.
26. Фридман Б.Э. и др. Емкостный накопитель энергии 1 МДж // Приборы и техника эксперимента. 2011. № 5. С. 101—105.
27. Cвиридов В.В. Результаты испытаний модулей емкостного накопителя энергии в составе стенда силового лазерного усилителя // Труды РФЯЦ — ВНИИЭФ. 2020. № 25—2. С. 6—15.
28. Ганин Л.С., Арзев А.Г., Беспалов Е.А. Модуль емкостного накопителя с запасенной энергией 900 кДж на базе реверсивно включаемых динисторов для питания ламп накачки мощного неодимового лазера // Труды РФЯЦ — ВНИИЭФ. 2017. № 2. С. 55—62.
29. Jorling J. e. a. 49 MJ Pulsed Power Facility to Produce High Magnetic Fields // Proc. 16th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque, 2007. Pp. 1513—1516.
30. Spahn E., Buderer G. A Flexible Pulse Power Supply for EM- and ETC-launchers. Digest of Technical Papers // Proc. 12th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Monterey, 1999. Pp. 1353—1356.
31. Hong-Sik Lee e. a. Evaluation of a RVU-43 Switch as the Closing Switch for a Modular 300 kJ Pulse Power Supply for ETC Application // IEEE Trans. Magnetics. 2001. V. 37(1). Pp. 371—374.
32. Yun-Sik Jin e. a. Design and Performance of a 300 kJ Pulsed Power Module for ETC Application // Ibid. Pp. 165—168.
33. Liebfried O., Brommer V., Scharnholz S. Refurbishment of a 30 MJ Pulsed Power Supply for Pulsed Power Applications // IEEE Trans. Plasma Sci. 2013. V. 41(5). Pp. 1285—1289.
34. Wolfe T., Riedy, P., Drake J., MacDougal F. Preliminary Design of a 200 MJ Pulsed Power System for a Naval Railgun Proof of Concept Facility // Proc. 12th Symp. Electromagnetic Launch Technol. Snowbird, 2004. Pp. 490—494.
35. Wolfe T R., Riedy P., Lewis D. Green Farm Electric Gun Research and Development Facility: the final chapter // IEEE Trans. Magnetics. 2001. V. 37(1). Pp. 506—510.
36. Kumar V.P. e. a. Design and Development of 4-MJ Capacitor Bank-Based Pulsed Power System for Electromagnetic Launcher // IEEE Trans. Plasma Sci. 2019. V. 47(3). Pp. 1681—1689.
37. Borthakur S. e. a. 200 kJ Pulsed Power System for Pulsed Plasma Device // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45(7). Pp. 1769—1775.
38. Коликов В.А., Богомаз А.А., Будин А.В. Мощные импульсные генераторы плазмы: исследование и применение. М.: Наука, 2022.
39. Соковнин С.Ю. Мощная импульсная техника. Екатеринбург: Уральский гос. техн. ун-т, 2008.
40. Кладухин В.В. Управляемый многозазорный газовый разрядник // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 5. С. 62—66.
41. Балакин В.А. Управляемый газонаполненный разрядник на рабочее напряжение 1 МВ // Труды РФЯЦ — ВНИИЭФ. 2016. № 21—1. С. 208—213.
42. Алферов Д.Ф. Сильноточные управляемые разрядники для различных применений // Успехи прикладной физики 2013. № 1—2. С. 154—160.
43. Гусев А.Н. Воздушный разрядник для сильноточного источника энергии на основе емкостного накопителя с рабочим напряжением 5 кВ // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 5. С. 60—65.
44. Правила устройства электроустановок [Электрон. ресурс] https://zazemlidom.ru/wp-content/uploads/2020/12/ПУЭ-7.-Правила-устройства-электроустановок.pdf (дата обращения 05.08.2024).
45. Gavrilov V.V. e. a. X-ray Diagnostics of Plasma Generated During Collisions of Plasma Flows // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 946. Pp. 1—6.
---
Для цитирования: Селянин Д.А., Лазукин А.В., Салахутдинов Г.Х. Накопители энергии большой мощности для плазменных установок // Вестник МЭИ. 2025. № 6. С. 28—37. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-6-28-37
---
Работа выполнена в рамках государственного контракта от 25.04.2024 № Н.4к.241.09.24.1050
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Barbarino M. Chto Takoe Termoyadernyy Sintez? [Elektron. Resurs] https://www.iaea.org/ru/newscenter/news/chto-takoe-termoyadernyy-sintez (Data Obrashcheniya 17.08.2024). (in Russian).
2. Yirka B. NIF Fusion Breakeven Claims Peer Reviewed and Verified by Multiple Teams [Elektron. Resurs] https://phys.org/news/2024-02-nif-fusion-breakeven-peer-multiple.html (Data Obrashcheniya 03.08.2024).
3. Van Easter D. Recent H-majority Inverted Radio Frequency Heating Scheme Experiments in JET-ILW. EPJ Web Conf. 2017;157:1—4.
4. Jiansheng Hu e. a. All Superconducting Tokamak: EAST. AAPPS Bull. 2023;33:1—24.
5. Helion Energy [Elektron. Resurs] https://www.helionenergy.com/technology/ (Data Obrashcheniya 26.07.2024).
6. Kostyushin V.A. i dr. Plazmennaya Ustanovka MK-200. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2023;6:28—34. (in Russian).
7. Dolan T. Ispol'zovanie Plazmennykh Tekhnologiy i Uskoriteley v Tselyakh Razvitiya Rasshirenie Vozmozhnostey. Byulleten' MAGATE. 2000;42:41—46. (in Russian).
8. Goryainov V.Yu., Voronin A.V. Ob Ogranichenii Skorosti Dvizheniya Plazmy v Elektrodinamicheskom Uskoritele. Fizika Plazmy. 2022;4:300—305. (in Russian).
9. Pat № 2696975 RF. Plazmennyy Uskoritel'. Vovchenko E.D. i dr.. Byul. izobret. 2019;22. (in Russian).
10. Pat № 2100916 RF. Uskoritel' Plazmy. Grishin S.D. i dr.. Byul. izobret. 1997. (in Russian).
11. Boychenko A.M. i dr. Plazmennye i Gazovye Lazery. Tomsk: Izd-vo STT, 2017. (in Russian).
12. Liebfried O. Review of Inductive Pulsed Power Generators for Railguns. IEEE Trans. Plasma Sci. 2017;45(7):1108—1114.
13. Liebfried O., Brommer V., Scharnholz S. Development of XRAM Generators as Inductive Power Sources for Very High Current Pulses. Proc. 19th IEEE Pulsed power Conf. San Francisco, 2013:1—6.
14. Nikitin V.V., Sereda G.E., Sereda E.G., Sereda A.G. Eksperimental'nye Issledovaniya Zaryada Nesverkhprovodnikovogo Induktivnogo Nakopitelya Energii. Innovatsionnye Transportnye Sistemy i Tekhnologii. 2016;2(1):126—135. (in Russian).
15. Lototskiy A.P. Fizicheskie Mekhanizmy pri Vyvode Magnitnoy Energii iz Induktivnykh Nakopiteley v Moshchnykh Impul'snykh Sistemakh: Dis. … Doktora Fiz.-mat. Nauk. M.: OIVT RAN, 1999. (in Russian).
16. Ali M.T., Wu B., Dougal R.A. An Overview of SMES Applications in Power and Energy Systems. IEEE Trans. Sustainable Energy. 2010;1(1):38—47.
17. Efremov D.G. Issledovanie Vozmozhnosti i Razrabotka Sposobov Primeneniya Nakopiteley Energii Razlichnogo Tipa dlya Protivoavariynogo Upravleniya pri Bol'shikh Vozmushcheniyakh v Energosisteme: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 2018. (in Russian).
18. Yuyao Huang, Yi Ru, Yilan Shen, Zhirui Zeng. Characteristics and Applications of Superconducting Magnetic Energy Storage. J. Phys.: Conf. Ser. 2021;2108:1—10.
19. Sakharov A.D. Vzryvomagnitnye Generatory. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 1966;88(4):725—734. (in Russian).
20. Beard K.W. Linden's Handbook of Batteries. N-Y.: McGraw-Hill Education, 2019.
21. Kuluev Zh. Analiz Primeneniya Emkostnykh Nakopiteley Energii dlya Energoobespecheniya Obektov Tsifrovykh Tekhnologiy. Science and Innovation. 2024;3;17:230—234. (in Russian).
22. Shurygina V. Superkondensatory. Razmery Bol'she, Moshchnost' Vyshe. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 2009;7:10—20. (in Russian).
23. Zhdanov V.V., Koshtyal Yu.M., Kuznetsov V.P. Analiz Osnovnykh Pokazateley Sovremennykh Superkondensatorov i Litiy-ionnykh Akkumulyatorov dlya Zadach Sozdaniya Vysokomoshchnykh Istochnikov Toka [Elektron. Resurs] https://rusbat.com/Interbat22032017/IoffeInterbat2017.pdf (Data Obrashcheniya 05.08.2024). (in Russian).
24. Zhilin E.V., Dolgal' S.V., Malysheva A.D. Perspektivy Primeneniya Nakopiteley Elektroenergii v Energeticheskikh Sistemakh. Energeticheskie Sistemy. 2023;8(3):32—41. (in Russian).
25. Ramazanov R.F. Conceptual Design of 2 MJ Capacitive Energy Storage. Defence Technology. 2018;14 (5):622–627.
26. Fridman B.E. i dr. Emkostnyy Nakopitel' Energii 1 MDzh. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2011;5:101—105. (in Russian).
27. Cviridov V.V. Rezul'taty Ispytaniy Moduley Emkostnogo Nakopitelya Energii v Sostave Stenda Silovogo Lazernogo Usilitelya. Trudy RFYATS — VNIIEF. 2020;25—2:6—15. (in Russian).
28. Ganin L.S., Arzev A.G., Bespalov E.A. Modul' Emkostnogo Nakopitelya s Zapasennoy Energiey 900 Kdzh na Baze Reversivno Vklyuchaemykh Dinistorov dlya Pitaniya Lamp Nakachki Moshchnogo Neodimovogo Lazera. Trudy RFYATS — VNIIEF. 2017;2:55—62. (in Russian).
29. Jorling J. e. a. 49 MJ Pulsed Power Facility to Produce High Magnetic Fields. Proc. 16th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque, 2007:1513—1516.
30. Spahn E., Buderer G. A Flexible Pulse Power Supply for EM- and ETC-launchers. Digest of Technical Papers. Proc. 12th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Monterey, 1999:1353—1356.
31. Hong-Sik Lee e. a. Evaluation of a RVU-43 Switch as the Closing Switch for a Modular 300 kJ Pulse Power Supply for ETC Application. IEEE Trans. Magnetics. 2001;37(1):371—374.
32. Yun-Sik Jin e. a. Design and Performance of a 300 kJ Pulsed Power Module for ETC Application. Ibid:165—168.
33. Liebfried O., Brommer V., Scharnholz S. Refurbishment of a 30 MJ Pulsed Power Supply for Pulsed Power Applications. IEEE Trans. Plasma Sci. 2013;41(5):1285—1289.
34. Wolfe T., Riedy, P., Drake J., MacDougal F. Preliminary Design of a 200 MJ Pulsed Power System for a Naval Railgun Proof of Concept Facility. Proc. 12th Symp. Electromagnetic Launch Technol. Snowbird, 2004:490—494.
35. Wolfe T R., Riedy P., Lewis D. Green Farm Electric Gun Research and Development Facility: the final chapter. IEEE Trans. Magnetics. 2001;37(1):506—510.
36. Kumar V.P. e. a. Design and Development of 4-MJ Capacitor Bank-Based Pulsed Power System for Electromagnetic Launcher. IEEE Trans. Plasma Sci. 2019;47(3):1681—1689.
37. Borthakur S. e. a. 200 kJ Pulsed Power System for Pulsed Plasma Device. IEEE Trans. Plasma Sci. 2017;45(7):1769—1775.
38. Kolikov V.A., Bogomaz A.A., Budin A.V. Moshchnye Impul'snye Generatory Plazmy: Issledovanie i Primenenie. M.: Nauka, 2022. (in Russian).
39. Sokovnin S.Yu. Moshchnaya Impul'snaya Tekhnika. Ekaterinburg: Ural'skiy Gos. Tekhn. Un-t, 2008. (in Russian).
40. Kladukhin V.V. Upravlyaemyy Mnogozazornyy Gazovyy Razryadnik. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2012;5:62—66. (in Russian).
41. Balakin V.A. Upravlyaemyy Gazonapolnennyy Razryadnik na Rabochee Napryazhenie 1 MV. Trudy RFYATS — VNIIEF. 2016;21—1:208—213. (in Russian).
42. Alferov D.F. Sil'notochnye Upravlyaemye Razryadniki dlya Razlichnykh Primeneniy. Uspekhi Prikladnoy Fiziki 2013;1—2:154—160. (in Russian).
43. Gusev A.N. Vozdushnyy Razryadnik dlya Sil'notochnogo Istochnika Energii na Osnove Emkostnogo Nakopitelya s Rabochim Napryazheniem 5 Kv. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2020;5:60—65. (in Russian).
44. Pravila Ustroystva Elektroustanovok [Elektron. Resurs] https://zazemlidom.ru/wp-content/uploads/2020/12/PUE-7.-Pravila-ustroystva-elektroustanovok.pdf (Data Obrashcheniya 05.08.2024). (in Russian).
45. Gavrilov V.V. e. a. X-ray Diagnostics of Plasma Generated During Collisions of Plasma Flows. J. Phys.: Conf. Ser. 2018;946:1—6
---
For citation: Selyanin D.A., Lazukin A.V., Salakhutdinov G.Kh. High-power Energy Storages for Plasma Installations. Bulletin of MPEI. 2025;6:28—37. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-6-28-37
---
The Work was Carried Out Under the State Contract Dated 25.04.2024 No. Н.4к.241.09.24.1050
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
