Ορισμός των στιλών
Το Stellarator
Wendelstein 7-X
17 Δεκεμβρίου 2015
Τέλος, οι Γερμανοί, μετά από 19 μακρές χρόνια, έχουν τελειώσει την συναρμολόγηση αυτής της πραγματικής τεχνολογικής τραγωδίας που είναι το stellarator. Τον Δεκέμβριο αυτή η μηχανή παρήγαγε το πρώτο της πλάσμα, δεκαετίες πριν από το ITER. Φυσικά, οι άνθρωποι που επισκέπτονται την ιστοσελίδα μου με έχουν πλημμυρίσει με ερωτήσεις για αυτή τη μηχανή.
Χρειάστηκαν 19 χρόνια για να γίνει αυτό το έργο πραγματικότητα και ένα εκατομμύριο ώρες εργασίας. Έχει 20 πλάκες και 50 μη επίπεδες πηνία. Γιατί αυτή η διάκριση; Όταν θέλουμε να δημιουργήσουμε ένα μαγνητικό πεδίο σε αυτά τα πηνία, πρέπει να διαρρέει από αυτά ένα πολύ ισχυρό ρεύμα που μπορεί να φτάσει τα δώδεκα χιλιάδες αμπέρ. Όμως, όταν περνάει ένα ισχυρό ρεύμα από ένα πηνίο, υφίσταται δυνάμεις που το στρέφουν προς το κέντρο, προκαλώντας την εμφάνιση κυκλικής μορφής. Σε αυτή την περίπτωση, αυτές οι δυνάμεις μπορούν να προκαλέσουν την καταστροφή του πηνίου. Η γεωμετρία του γερμανικού stellarator είναι πολύ περίπλοκη.
Επομένως, ήταν αναγκαίο να προβλεφθούν πηνία με σχήμα όχι μόνο κυκλικό, αλλά και περίπλοκο:
Γιατί μια τόσο περίπλοκη γεωμετρία; Αν παρακολουθήσετε τις 5 βίντεο που έχω τοποθετήσει στο YouTube, θα δείτε τις βασικές αρχές των τοκαμάκ. Αυτά βασίζονται σε μια ιδέα που προήλθε από την ψύξη, λόγω του Αντρέι Σαχάροφ και του Αρτσιμόβιτς. Αν εξοπλίσουμε μια τοροειδή κοιλότητα με κυκλικά πηνία, ομοιόμορφα διατεταγμένα, το μαγνητικό πεδίο θα είναι πιο ισχυρό κοντά στον άξονα της μηχανής, όπου τα πηνία είναι πιο κοντά μεταξύ τους. Τα πλάσματα έχουν την τάση να κινηθούν προς τις περιοχές όπου το πεδίο είναι ελάχιστο, έτσι το μαγνητικό πεδίο θα προσπαθήσει να εκτοξεύσει το πλάσμα που δημιουργήθηκε στην κοιλότητα προς τα έξω. Το τοκαμάκ αποτελεί μια πρώτη λύση. Με τη βοήθεια ενός ελεγκτή που τοποθετείται κατά μήκος του άξονα της μηχανής, που δημιουργεί ένα αργά αυξανόμενο πεδίο (που θα φτάσει τα 13 τεσλάς στο ITER), το οποίο βυθίζει την κοιλότητα δοκιμής, δημιουργούμε ένα επαγόμενο ρεύμα που κυκλώνεται στο πλάσμα. Αυτό το ρεύμα δημιουργεί ένα άλλο πεδίο, το λεγόμενο πολοειδές, το οποίο συνδυάζεται με το πεδίο που δημιουργείται από τα πηνία που περιβάλλουν την κοιλότητα. Στο τέλος, οι γραμμές του πεδίου παίρνουν μια σπειροειδή μορφή.
Επειδή τα φορτισμένα σωματίδια έχουν την τάση να σπειρώνονται γύρω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, ακολουθούν αυτές τις γραμμές. Αυτό επιτρέπει τη διατήρηση του πλάσματος στο κέντρο της κοιλότητας. Η άλλη λύση, που προτάθηκε από τον Αμερικανό Λάιμαν Σπίτζερ το 1950, είναι να δημιουργήσει κάτι που ονόμασε stellarator. Η μηχανή Wendelstein X-7 είναι ένα stellarator:
Σε κίτρινο, η κοιλότητα της μηχανής, σε μπλε τα πολλά πηνία. Κατά τη σχεδίαση του γερμανικού stellarator έγιναν πολλοί υπολογισμοί σε υπολογιστή για να βελτιστοποιηθεί η μορφή της κοιλότητας και η σχεδίαση των πηνίων. Αυτό απαιτούσε μεγάλη εργασία και ένα εκατομμύριο ώρες εργασίας.
Γιατί να επιλέξουμε το stellarator αντί για το τοκαμάκ; Στο τοκαμάκ (και στο ITER) το κύριο πρόβλημα είναι η δυνατότητα εμφάνισης διακοπών. Μέσα στην κοιλότητα, το "ρεύμα πλάσματος" (15 εκατομμύρια αμπέρ για το ITER) μπορεί να απεικονιστεί με εικόνα ενός σαλιγκαριού που τρώει τον ίδιο του τον ουραγό. Πολύ απλά, μια διακοπή μπορεί να συγκριθεί με τη διακοπή της σπείρας του ρεύματος. Τότε το σαλιγκάρι αφήνει τον ουραγό και πηγαίνει να "τρώει τον τοίχο". Στο ITER αυτή η "τρωτή" εκτιμάται σε 11 εκατομμύρια αμπέρ.
Η αιτία: μαγνητοϋδροδυναμική τουρβέντα. Ακόμα χειρότερα: αυτή η απόκλιση του μαγνητικού πεδίου συνοδεύεται από προσαύξηση που επιταχύνει τα φορτισμένα σωματίδια: κυρίως τα ηλεκτρόνια. Αυτά αποκτούν σχετικές ταχύτητες, πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, και μεγάλη ενέργεια. Από μια συγκεκριμένη ταχύτητα, σχεδόν παύουν να αλληλεπιδρούν με τα ιόντα. Τα ονομάζουμε τότε "αποζευγμένα ηλεκτρόνια". Αλλά με "αλυσιδωτό αποτέλεσμα" επιταχύνουν άλλα ηλεκτρόνια. Υπάρχει μια πολύ μεγάλη πολλαπλασιαστική επίδραση στο ITER.
Σε ένα stellarator αυτά τα φαινόμενα δεν υπάρχουν. Αυτό δεν σημαίνει ότι άλλες αστάθειες δεν μπορούν να εμφανιστούν. Μόνο η πείρα θα δώσει την απάντηση σε αυτή την ερώτηση. Εδώ και μισό αιώνα, οι μηχανές πλάσματος έχουν δώσει πολλ