Definice stylů
Stellarator
Wendelstein 7-X
- prosince 2015
A konečně, německé vědci po 19 dlouhých letech dokončili montáž tohoto opravdu technologického nočního můry, kterým je stellarator. Na začátku prosince tato zařízení vyprodukovala svůj první plazma – desítky let před ITER. Samozřejmě mi lidé, kteří navštěvují můj web, zasypali otázkami ohledně této stroje.
Na výstavbu tohoto projektu se vyžádalo 19 let a milion hodin práce. Obsahuje 20 rovinných cívek a 50 nepravidelných cívek. Proč tento rozdíl? Když chcete vytvořit magnetické pole v těchto cívkách, musíte v nich propustit velmi silný proud, který může dosáhnout dvanácti tisíc ampér. Když však proud prochází cívkou, je vystaven odstředivým silám, které ji mají vytvořit kruhový tvar. V takovém případě mohou tyto síly způsobit prasknutí cívky. Německý stellarator má velmi složitou geometrii,
a proto bylo nutné předvídat cívky nejen kruhové, ale i zkroucené:
Proč tak složitá geometrie? Pokud si přejete sledovat pět videí, která jsem umístil na YouTube, jsou v nich vysvětleny základní principy tokamaků. Vycházejí z myšlenky získané z chladu, kterou předložili Andrej Sacharov a Artsimovič. Pokud vybavíte toroidní komoru kruhovými cívkami, pravidelně umístěnými, bude magnetické pole intenzivnější blízko osy stroje, kde jsou cívky nejblíže sobě. Plazma má tendenci získávat oblasti s minimálním polem, což způsobí, že magnetické pole bude plazma vytlačovat z komory ven. Tokamak představuje první řešení. Pomocí solenoidu umístěného podél osy stroje, který vytváří pomalu rostoucí pole (na ITER dosáhne 13 tesl), které ponoří komoru, se v plazmatu vytvoří indukovaný proud, který se uzavře kruhově. Tento proud vytváří vlastní pole, tzv. poloidální pole, které se skládá s polem vytvořeným cívkami kolem komory. Výsledkem jsou spirálové magnetické čáry.
Protože nabité částice mají tendenci samy se spirálově pohybovat kolem magnetických čar, budou tyto čáry následovat. To umožní udržet plazma uprostřed komory. Druhou možností, kterou v 50. letech navrhl americký vědec Lyman Spitzer, je tzv. stellarator. Stroj Wendelstein X-7 je stellarator:
Žlutě je komora stroje, modře množství cívek. Při návrhu německého stellaratoru bylo provedeno mnoho počítačových výpočtů, aby se optimalizoval tvar komory a tvar cívek. Vše to vyžadovalo obrovskou práci a milion hodin práce.
Proč zvolit stellarator místo tokamaku? U tokamaku (a ITER) je hlavním problémem možnost výskytu poruch. Uvnitř komory může „plazmový proud“ (15 milionů ampér pro ITER) být obrazně představen jako had, který se kousá do ocasu. Zjednodušeně řečeno, porucha může být porovnána s přerušením tohoto proudu. Had pak uvolní ocas a začne „kousat stěnu“. U ITER je tato „kousnutí“ odhadováno na 11 milionů ampér.
Příčina: MHD turbulence. Ještě horší je, že tato deformace magnetického pole je doprovázena gradienty, které jsou zdrojem urychlení nabitých částic: především elektronů. Ty získají relativistické rychlosti, blízké rychlosti světla, a velké energie. Od určité rychlosti prakticky přestávají interagovat s ionty. Takové elektrony se nazývají odpojené elektrony. Ale „lavinným efektem“ urychlují další elektrony. Je to násobný efekt, který je na ITER obrovský.
U stellaratoru tyto jevy neexistují. To neznamená, že jiné nestability nemohou vzniknout. Odpověď na tuto otázku přinese pouze experiment. Po půl století plazmových strojů přinesly příliš mnoho nepříjemných překvapení, aby nebylo nezbytné postupovat postupně.
Německý stroj má magnetizační systém, kde intenzita pole dosahuje 3 tesl. Systém ohřevu mikrovlnami je navržen tak, aby fungoval 10 až 50 sekund. Systém injekce neutronů představuje dodávku energie o výkonu 8 MW. S tímto zařízením vědci doufají, že dosáhnou v komoře hustoty plazmatu 3 × 10²⁰ jader na metr krychlový a teploty 60 až 120 milionů stupňů.
Německý stellarator nebude schopen dosáhnout „autonomního“ fúzního plazmatu, kde by energie z fúze stačila k udržení teploty plazmatu na dostatečné úrovni. S těmito stroji se snažíme zapálit „jaderné ohně“. To lze porovnat s pokusem zapálit „trochu vlhké dřevo“ pomocí kousků bedny nebo „zapalovače“. Dokud to hoří, vlhké dřevo se zapojuje do exoenergetického procesu. Když jsou suché kousky nebo zapalovač spotřebovány, nastávají dva případy. Buď hoření vlhkého dřeva vyprodukuje dostatek tepla, aby byl oheň udržován sám, nebo bude tato energie nedostatečná a oheň zhasne a budete muset začít znovu s novým zapalovačem.
Žádná plazmová zařízení na světě dosud nebyla schopna vytvořit takové podmínky. Nejvýkonnější: JET dosáhl hodnoty Q = dodaná energie / vyprodukovaná energie 0,6. Cílem ITER bylo dosáhnout hodnoty Q vyšší než jedna. Zároveň nemáme žádné představy o tom, jak by se chovalo fúzní plazma, které by se náhle udržovalo samo. Jak už bylo řečeno, je velmi obtížné dělat teoretické předpovědi.
Německý stellarator představoval náklady, které jsou přímo úměrné jeho složitosti. Předpokládám, že výdaje dosáhly miliardy eur. Ale jedná se o projekt, který dosáhl z madurity. Stroj byl postaven, jeho magnetizační zařízení jsou funkční a na začátku prosince vědci získali svůj první plazma. Dále bude zvyšována dodávka energie, což se provádí stejně jako u tokamaků pomocí mikrovln a injekce neutronů. Tyto techniky jsou ovládány. První otázka zní: „Odpovídá tato zařízení očekáváním z hlediska udržení plazmatu?“ Zdá se, že byla získána pozitivní první odpověď.
Představuje stellarator řešení pro výrobu energie z fúze? Ještě je příliš brzy, abychom to mohli říci. Ale jeho náklady jsou 16krát nižší než u ITER. Stroj má obrovskou výhodu oproti tomuto faraónskému projektu: funguje, a vědci nemusí obávat, že by byl okamžitě poškozen poruchou, což u ITER není pravda.
Tento riziko zásadně ztěžuje tento projekt. Pokud se podíváme na konstrukci ITER, každá výměna součásti může být neřešitelný problém. Součásti, které jsou cílem poruch, jsou prvky „divertoru“.
První obrázek umožňuje odhadnout velikost součásti ve srovnání s celkovou velikostí stroje. Existuje video, které ukazuje, jaké akrobacie technici musí provádět při instalaci součástí. Jejich výměna bude stejně problematická. Podívejte se:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
Zároveň riziko poruch roste s výkonem, který chceme získat z plazmatu.
Německý stellarator je výzkumný nástroj, který nemá žádné ambice být předzvěstí generátoru energie z fúze. Z tohoto hlediska je zajímavý projekt, který je v souladu s racionálním přístupem. Projekt ITER byl od začátku faraónský. Hrozně jsme podcenili technické a vědecké problémy, které bychom mohli potkat.
Ve Francii nemáme žádný stellarator, ať už jde o laboratorní stroje. Já osobně navrhoval zkoušet konfiguraci „třílistého uzlu“, která také představuje spirálové závity magnetických čar, zároveň umožňuje jejich vytvoření pomocí kruhových cívek.
Ale tato komora je postavena kolem „jádra“, jehož rovnice je:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
V příčném kruhovém řezu se bod maximálního pole otáčí o 270° při každém otočení, což by mohlo být dostatečné pro zajištění homogenity plazmatu. Skutečnost, že cívky jsou kruhové, by umožnila dosažení pole až 10 tesl (nominální pole v komoře ITER je 11,8 tesl).
Ale všechny úsilí o vytvoření, ať už jen malého modelu o průměru 50 cm v specializovaném laboratoři, zůstaly neúspěšné. Je významné, že oddělení CNRS, které řídí výzkum horkých plazmat, napsalo, že tyto studie se omezují na dva možné směry:
-
ITER
-
Mégajoule.
Pro orientaci: výsledky z velkého bratra Mégajoule, amerického NIF (National Ignition Facility), byly mimořádně zklamné, a naděje na studium fúze laserem pomocí zařízení Mégajoule je také iluze. Americká instalace má 192 laserů z neodymového skla, francouzská bude mít 176. Přestože NIF selhal, bude francouzský projekt dokončen.
Zároveň proč takový selhání?
Od poloviny 70. let díky ultra tajnému výzkumnému projektu Centurion Halite věděli Američané, že pro stlačení koule deuteria-tritia na bod, kde dojde k fúzi, je potřeba dodat 10 až 20 megajoulů energie. NIF však mohl koncentrovat na tuto kapku pouze 0,18 megajoule, tedy energii 55krát nižší. Přestože lasery produkují 1,8 megajoule energie, v systému hohlraumu („pece“) bylo 80 až 90 % této energie věnováno ohřevu zlata, ze kterého byla tato mini-pece vyrobena.
Mini-pece zlata, která chrání cíl
Část energie, která skutečně dopadla na cíl.
Bylo vyloučeno nasadit padesátkrát více laserů. Teoretici projektu, hlavně John Nulholls, si pak vymysleli, že komprese nebude prováděna na kapce, ale na vrstvě pevného D-T, která byla uložena na vnitřní straně miniaturní baňky. Riziko bylo, že komprese bude špatná kvůli instabilitě Raleigh-Taylor, která nastává, když jeden proud působí tlakem na druhý. To lze snadno představit tím, co se děje, když hustší tekutina působí tlakem na jinou tekutinu pod ní:
Instabilita Raleigh-Taylor
Nulholls, důvěřující výsledkům svých numerických simulací, zaručil, že tato instability bude mít jen malý vliv na výsledek experimentu. Podle něj by fúze měla být dosažena již při prvních pokusech (v roce 2012) a práce experimentátorů by se omezila na úpravu parametrů simulací, aby lépe odpovídaly experimentálním datům. Ale kampaně pokusů skončila úplným fiaskem. Měření ukázala, že instabilita Raleigh-Taylor hrála plnou roli.
Jak lze toto prokázat? Jednoduše tím, že v cíli umístíme stopové atomy, které umožní měřit rychlost imploze pomocí Dopplerova jevu. Fúze vyžadovala rychlost imploze 370 km/s. Bylo to daleko od cíle a tyto rychlosti imploze byly velmi rozptýlené, což ukazuje na úplnou neschopnost pravidelnosti.
Nyní tedy čelíme selhání těžké manipulace (6 miliard dolarů), zcela založené na simulacích prováděných na velmi výkonných počítačích. Druhý aspekt je zároveň závažné zavádění Nulholla a jeho týmu. Zakázali ostatním vědcům rozbor jejich výpočetního kódu na základě toho, že je „tajným obranným údajem“.
Co se týče Francouzů? V polovině 70. let – na začátku 80. let, kdy byl projekt Mégajoule ve vývoji, věděli, že pro dosažení fúze je potřeba 10–20 megajoulů energie na cíl? Zjistilo se, že to bylo známo. Logicky by měl projekt být zastaven. Francouzi byli jediní, kdo následoval amerického předstihu. Ve všech ostatních zemích – Rusko, Japonsko – vědci disponovali „laserovou silou“ (těsáčový výkon na laser). Ale jinde říkali: „Podívejme se, jaké výsledky dosáhnou Američané a Francouzi. Pak se rozhodneme.“ Nebo v Rusku zvlášť, pokud inženýři vojenského projektu měli svůj vlastní projekt „Centurion-Halite“.
Projekty NIF a Mégajoule nebyly od začátku zaměřeny na energetickou výrobu z fúze pomocí laserů, protože jejich účinnost byla pouze 1,5 %. Mluvit o tom, že by se mohly objevit elektrárny z fúze na této základně, by bylo prostě zbytečné hračení s veřejností. Ve skutečnosti byly tyto projekty 100 % vojenské. Tato komprese cíle měla rekonstruovat na malém měřítku kompresi, která nastává v termojaderném zbraně kvůli záření rentgenových paprsků vytvořených v jaderné bombě na plutonium-239.
Proč takové selhání?
Ve Franc