Definition der Stile
Der Stellarator
Wendelstein 7-X
- Dezember 2015
Endlich, die Deutschen haben nach 19 langen Jahren die Montage dieses wahren technischen Albtraums, eines Stellarators, abgeschlossen. Anfang Dezember hat diese Maschine ihren ersten Plasma erzeugt, Jahrzehnte vor ITER. Natürlich haben die Leute, die meine Website besuchen, mich mit Fragen zu dieser Maschine bombardiert.
Es hat 19 Jahre gedauert, bis dieses Projekt Realität wurde, und eine Million Arbeitsstunden. Er besteht aus 20 ebenen Spulen und 50 unebenen Spulen. Warum dieser Unterschied? Wenn man ein starkes Magnetfeld in diesen Spulen erzeugen möchte, muss man einen sehr starken Strom von bis zu zwölftausend Ampere durch sie leiten. Wenn jedoch ein starker Strom durch eine Spule fließt, ist sie den Zentrifugalkräften ausgesetzt, die ihr eine kreisförmige Form verleihen. In diesem Fall können diese Kräfte zu einer Zerstörung der Spule führen. Die deutsche Stellarator-Struktur hat eine sehr komplexe Geometrie.
Es war notwendig, Spulen mit nicht nur kreisförmigen, sondern auch schiefen Formen vorzusehen:
Warum diese komplexe Geometrie? Wenn Sie die 5 Videos ansehen, die ich auf YouTube hochgeladen habe, werden die Grundprinzipien der Tokamaks dargestellt. Sie gehen von einer Idee aus der Kälte, entwickelt von Andrei Sakharov und Artsimowitsch. Wenn man eine toroidale Kammer mit kreisförmigen, regelmäßig angeordneten Spulen ausstattet, wird das Magnetfeld in der Nähe der Achse der Maschine stärker, wo die Spulen am nächsten beieinander liegen. Da Plasmen dazu neigen, in Bereiche mit schwachem Feld zu wandern, wird das Magnetfeld den Plasma in der Kammer nach außen drängen. Der Tokamak stellt eine erste Lösung dar. Mit einem Solenoid, das entlang der Achse der Maschine angeordnet ist und ein langsam ansteigendes Feld erzeugt (das auf ITER 13 Tesla erreichen wird), das die Prüfkammer durchdringt, entsteht ein induzierter Strom, der sich kreisförmig im Plasma bewegt. Dieser Strom erzeugt selbst ein Feld, das sogenannte poloidale Feld, das sich mit dem Feld der um die Kammer gewickelten Spulen vermischt. Als Ergebnis haben die Feldlinien eine spiralförmige Form.
Da geladene Teilchen selbst tendieren, sich um die Magnetfeldlinien zu drehen, folgen sie diesen. Dies ermöglicht es, das Plasma im Zentrum der Kammer zu halten. Die andere Lösung, vorgeschlagen von dem Amerikaner Lyman Spitzer in den 1950er Jahren, ist das, was er einen Stellarator nannte. Die Maschine Wendelstein X-7 ist ein Stellarator:
In Gelb die Kammer der Maschine, in Blau die vielen Spulen. Bei der Konzeption des deutschen Stellarators wurden zahlreiche Computerberechnungen durchgeführt, um die Form der Kammer sowie das Design der Spulen zu optimieren. All dies erforderte eine riesige Arbeit und eine Million Arbeitsstunden.
Warum also den Stellarator und nicht den Tokamak wählen? Bei dem Tokamak (und auch bei ITER) ist das größte Problem die Möglichkeit von Störungen. In der Kammer kann der "Plasma-Strom" (15 Millionen Ampere für ITER) in einer bildhaften Weise als Schlange dargestellt werden, die sich selbst beißt. Sehr vereinfacht kann eine Störung mit dem Bruch der Art verglichen werden, wie dieser Strom sich umwickelt. Dann lässt die Schlange ihr Ende los und "beißt die Wand". Bei ITER beträgt dieser "Biss" 11 Millionen Ampere.
Ursache: MHD-Turbulenz. Schlimmer noch: diese Verzerrung des Magnetfeldes geht mit Gradienten einher, die Bereiche sind, in denen geladene Teilchen beschleunigt werden: hauptsächlich Elektronen. Diese erlangen relativistische Geschwindigkeiten, nahe der Lichtgeschwindigkeit, und erlangen große Energie. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit interagieren sie praktisch nicht mehr mit den Ionen. Man nennt sie dann "entkoppelte Elektronen". Aber durch "Avalanche-Effekt" beschleunigen sie andere Elektronen. Es gibt einen multiplikativen Effekt, der bei ITER beträchtlich ist.
In einem Stellarator existieren diese Phänomene nicht. Das bedeutet nicht, dass andere Instabilitäten nicht auftreten können. Nur die Experimentation wird die Antwort auf diese Frage liefern. Da Maschinen mit Plasma in den letzten fünfundzwanzig Jahren zu viele unangenehme Überraschungen bereitgehalten haben, ist es unerlässlich, schrittweise vorzugehen.
Die deutsche Maschine hat ein Magnetisierungssystem, bei dem das Feld eine Stärke von 3 Tesla erreicht. Das Mikrowellenheizsystem ist für eine Betriebszeit von 10 bis 50 Sekunden vorgesehen. Ein System zur Neutroneninjektion stellt eine Energiezufuhr von 8 MW bereit. Mit diesem Gerät hoffen die Forscher, den Plasma in der Kammer mit einer Dichte von 3 × 1020 Kernen pro Kubikmeter auf eine Temperatur von 60 bis 120 Millionen Grad zu bringen.
Der deutsche Stellarator wird nicht in der Lage sein, einen "autonomen" Fusionsplasma zu erzeugen, bei dem die Energie aus der Fusion ausreicht, um die Temperatur des Plasmas auf einem ausreichenden Niveau zu halten. Mit diesen verschiedenen Maschinen versucht man, das "nukleare Feuer" zu entzünden. Sie können dies mit einer Versuch, "feuchtes Holz" mit Stückchen von Kisten oder einem "Zündmittel" zu entzünden, vergleichen. Solange das feuchte Holz brennt, nimmt es am exothermischen Prozess teil. Wenn die trockenen Holzstücke oder das Zündmittel verbraucht sind, gibt es zwei mögliche Szenarien. Entweder die Wärme, die vom feuchten Holz abgegeben wird, ist ausreichend, um das Feuer selbst zu erhalten, oder diese abgegebene Energie ist ungenügend und das Feuer erlischt, und Sie müssen die Operation mit einem neuen Zündmittel wiederholen.
Bis heute hat keine Plasma-Maschine der Welt solche Bedingungen erzeugt. Die leistungsstärkste Maschine: JET hat es ermöglicht, den Koeffizienten Q = eingeschobene Energie / erzeugte Energie auf den Wert 0,6 zu erhöhen. Das Ziel von ITER war es, einen Koeffizienten über 1 zu erreichen. Im Vorbeigehen: Wir haben keine Ahnung, wie sich ein plötzlich selbstgezündeter Fusionsplasma verhalten würde. Wie bei allem, was mit diesen Themen zu tun hat, ist es sehr schwierig, theoretische Vorhersagen zu treffen.
Der deutsche Stellarator hat einen Kostenbetrag, der proportional zu seiner Komplexität ist. Ich glaube, die Ausgaben belaufen sich auf eine Milliarde Euro. Aber es ist ein Projekt, das reif geworden ist. Die Maschine wurde gebaut, ihre Magnetisierungssysteme sind funktionsfähig und Anfang Dezember haben die Forscher ihren ersten Plasma erzeugt. Die nächste Phase besteht darin, die Energiezufuhr zu erhöhen, was wie bei Tokamaks mit Mikrowellen und Neutroneninjektion erfolgt. Es handelt sich um Techniken, die beherrscht werden. Die erste Frage lautet: "Erreicht diese Maschine die Erwartungen hinsichtlich der Plasma-Einschließung?" Es scheint, dass eine positive erste Antwort erhalten wurde.
Stellartor eine Lösung für die Energieproduktion durch Fusionsreaktion? Es ist noch zu früh, das zu sagen. Aber sein Kostenbetrag bleibt 16-mal geringer als die von ITER. Die Maschine hat einen riesigen Vorteil gegenüber diesem pharaonischen Projekt: Sie funktioniert, und die Forscher müssen nicht befürchten, dass sie sofort durch eine Störung beschädigt wird, was bei ITER nicht der Fall ist.
Dieses Risiko behindert dieses letzte Projekt sehr stark. Wenn man sich anschaut, wie ITER konzipiert ist, kann jeder Komponentenersatz ein unlösbares Problem darstellen. Die Komponenten, die die bevorzugte Zielzone dieser Störungen sind, sind ...