סטילארטור – הגדרה ופעולת

הגדרת סגנונות

הסטלראטור

Wendelstein 7-X

17 בדצמבר 2015

הגיע הזמן, הגרמנים, לאחר 19 שנים ארוכות, סיים את הרכבת מה שנקרא "המונדיאל הטכנולוגי" – סטילראטור. בתחילת דצמבר, המכונה יצרה את הפלאסמה הראשונה שלה, עשרים שנה לפני ה-ITER. כמובן שכאשר אנשים שמבקרים באתר שלי שואלים אותי על המכונה הזו.

הפרויקט נמשך 19 שנים, ודרש מיליארד שעות עבודה. הוא כולל 20 סולמות מישוריים ו-50 סולמות לא מישוריים. למה הבדל זה? כשצריכים ליצור שדה מגנטי בתוך הסולמות, יש לשלוח בתוכן זרם חזק מאוד, שיכול להגיע ל-12,000 אמפר. אך כשמעבירים זרם חזק בתוך סולמות, הם נמצאים תחת כוחות צנטריפוגליים שפועלים על מנת למשוך אותם לכיוון מעגלי. במקרה כזה, כוחות אלו יכולים לגרום לקריסה של הסולמות. הגרעין של הסטילראטור הגרמני מתאפיין בהיקף מורכב מאוד.


לכן היה צורך לחשוב על סולמות שצורתם לא רק מעגלית, אלא גם מוטות:

למה גאומטריה מורכבת כל כך? אם תצפו ב-5 וידאו ששמתי ב-YouTube, תראו את המושגים המרכזיים של טוקאמק. הם נובעים מהרעיון שהגיע מהקרינה, מ Andréi Sakharov ו-Artsimovitch. אם תציתו חדר טורואידלי בסולמות מעגליים, מונחים באופן אחיד, השדה המגנטי יהיה חזק יותר בקרבת ציר המכונה, שם הסולמות קרובים זה לזה. פלזמות נוטות לנוע לכיוון הנקודות שבהן השדה מינימלי, ולכן השדה המגנטי ינסה להניע את הפלאסמה שנוצרה בחדר החוצה. הטוקאמק מייצג פתרון ראשון. באמצעות סולמות אינדוקטיביים מונחים לאורך ציר המכונה, שמייצרים שדה שגדל בקצב איטי (שיגיע ל-13 טסלה ב-ITER), שמעביר את החדר, יוצרים זרם מושרה שמתפזר בצורה מעגלית בתוך הפלאסמה. הזרם הזה יוצר שדה משלו, שנקרא שדה פולואידלי, שמתרכז עם השדה שנוצר על ידי הסולמות שמסביב לחדר. כתוצאה מכך, קווי השדה מקבלים צורה ספירלית.

מכיוון שחלקיקים מטען נוטים לנוע בצורה ספירלית סביב קווי השדה המגנטי, הם יתאימו לאותם קווים. זה יאפשר לשמור על הפלאסמה במרכז החדר. הפתרון השני, שהציע האמריקאי ליימן ספיצר בשנות ה-50, הוא מה שקרא לו "סטילראטור". המכונה Wendelstein X-7 היא סטילראטור:

בצהוב – החדר של המכונה, בכחול – הסולמות רבות. בעת עיצוב הסטילראטור הגרמני, עשו חישובים רבים על מחשב כדי להזין את צורת החדר ואת עיצוב הסולמות. כל זה דרש עבודה עצומה, מיליארד שעות עבודה.

למה לבחור בסטילראטור במקום בטוקאמק? בטורקאמק (ו-ITER כולם) הבעיות הגדולות הן היכולת להימנע מהתפרצויות. בתוך החדר, ה"זרם פלזמה" (15 מיליון אמפר ב-ITER) יכול להיחשב בצורה מופשטת כציפורן שמעבירה את זרועה. בצורה מופשטת, התפרצויות יכולות להיחשב כשבירה של הדרך בה הזרם מתפתל. אז הציפורן משחררת את זרועה ועוברת "לבלוע את הקיר". ב-ITER, "הבליעה" מוערכת ב-11 מיליון אמפר.

הסיבה: טורבולנץ' MHD. עוד יותר רע: הטייה של השדה המגנטי מלווה גרדיאנטים שמאפשרים לחלקיקים מטען להאיץ – בעיקר אלקטרונים. הם מגלים מהירות רלטיביסטיות, קרובות למהירות האור, ומקבלים אנרגיה גבוהה מאוד. מרגע מסוים הם כמעט לא מתנגשים עם יונים. הם נקראים אז אלקטרונים מנותקים. אך עקב "אפקט סדרה" הם מאיצים עוד אלקטרונים. יש אפקט מוכפל, גדול מאוד ב-ITER.

בסטילראטור, תופעות כאלו לא קיימות. זה לא אומר שסוגי אי יציבות אחרים לא יכולים להופיע. רק הניסויים יספקו תשובה לשאלה הזו. במשך חצי מאה, המכונות של פלזמה הביאו יותר מדי מפתיעים לא נעימים, ולכן חשוב להתקדם בצעדים איטיים.

המכונה הגרמנית מפעילה שדה של 3 טסלה. מערכת ההתחממות על ידי מיקרוגל מתוכננת לפעול בין 10 ל-50 שניות. מערכת הזרקת ניוטרונים תספק כוח של 8 מ"ג'אול. עם התקן הזה, החוקרים מצפים להעלות את הפלאסמה, בחלל, לרציפות של 3×10²⁰ גרעינים למטר מעוקב, לטמפרטורה של 60 עד 120 מיליון מעלות.

הסטילראטור הגרמני לא יאפשר ליצור פלאסמה של פליזיה "עצמית", שבה האנרגיה שיצאה מהפליזיה תספיק להחזיק את הטמפרטורה של הפלאסמה ברמה מספקת. עם המכונות האלה, מנסים להדליק את "האש הגרעינית". אפשר להשוות את זה לניסיון להדליק "עץ קצת רטוב" עם קטעי תיבת עץ או "מבער" מכני. כל עוד הוא מתרסק, העץ הרטוב משתתף בתהליך של פליזיה. כשקטעי העץ היבש או המבער נשרפים, יש שני סיכויים: או שהשריפה של העץ הרטוב יוצרת מספיק חום כדי לשמור על האש עצמית, או שהאנרגיה שנוצרת אינה מספיקה, והאש תכבה, וצריך להתחיל שוב עם מבער חדש.

לעולם לא הושג מצב כזה במכונה פלזמה בעולם. המכונה הטובה ביותר: ה-JET הצליחה להעלות את מקדם Q = אנרגיה מוזרכת / אנרגיה יוצרת ל-0.6. המטרה של ה-ITER הייתה להשיג מקדם גדול מ-1. בדרכו, אין לנו מושג איך יתנהג פלזמה של פליזיה שמתאימה לעצמה פתאום. כמו בכל מה שקשורה לנושא הזה, זה מאוד קשה לעשות תחזיות תיאורטיות.

הסטילראטור הגרמני יצר עלות שפרופורציונלית למסורבלותו. אני חושב שההוצאות היו מיליארד יורו. אך זהו פרויקט שחלף לשלב בשלמות. המכונה בנויה, התקני המגנטיזציה פעילים, ובתחילת דצמבר, החוקרים יצרו את הפלאסמה הראשונה שלהם. ההמשך יכלול הגדלת הזרקת אנרגיה, כפי שבערבות טוקאמק, באמצעות מיקרוגל וזריקת ניוטרונים. זו טכניקה ששולטת בה. השאלה הראשונה היא: "המכונה עונה על התפיסה מבחינת החימום של הפלאסמה?" נראה שקבלו תשובה חיובית ראשונית.

האם הסטילראטור מייצג פתרון ליצירת אנרגיה על ידי פליזיה? עדיין מוקדם להכריע. אך עלותו נמוכה פי 16 מה-ITER. המכונה מתקדמת בצורה ענקית על פני הפרויקט הפארווני: היא פועלת, והחוקרים לא צריכים לחשוש שהיא תיפגע מידית כתוצאה מהתפרצויות, כפי שקורה ב-ITER.

הסיכון הזה מפריע מאוד לפרויקט האחרון. אם נסתכל על עיצוב ה-ITER, כל החלפה של מרכיב יכולה להפוך לבעיה בלתי פתירה. המרכיבים שמייצרים את היעד של התפרצויות הם איברי "דיברטור".

התמונה הראשונה מאפשרת להעריך את הגודל של המרכיב, בהשוואה למידת המכונה כולה. יש וידאו שמראה לאיזה אקרובטיקה ייאלצו הטכנאים לבצע כדי להתקין את המרכיבים. החלפתם תהיה גם היא בעייתית. ראו:

https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac

בנוסף, הסיכון של התפרצויות גדל עם הقدرة שנסו להוציא מהפלזמה.

הסטילראטור הגרמני הוא כלי מחקר שאינו מבקש להיות תצוגה של מנוע אנרגיה על ידי פליזיה. מבחינת זה, זהו פרויקט מעניין, שמבוסס על רציונליות. הפרויקט ITER היה פארווני מתחילה. העריכו בצורה קלה מאוד את הבעיות הטכניות והعلמיות שיתרחשו.

בצרפת אין לנו סטילראטור, גם לא מכונות מעבדה. אני אישית הציע לבדוק תצורה "בצורת שלושה עלים", שמייצגת גם היא סיבוב ספירלי של קווי השדה המגנטי, תוך כדי שמאפשרת ליצור את זה באמצעות סולמות מעגליים.


אבל החדר נבנה סביב "לב" שמשוואתו היא:

x = Cos t + 2 Cos 2t

y = sin t - 2 sin 2t

z = 2 sin 3t

במقطع ישר, מעגלי, הנקודה של השדה המרבי מסתובבת ב-270 מעלות בכל סיבוב, מה שיכול להיחשב מספיק כדי להבטיח הומוגניות של הפלאסמה. העובדה שהסולמות מעגליות תאפשר להעלות את השדה ל-10 טסלה (השדה הנומינלי בחלל של ה-ITER הוא 11.8 טסלה).

אבל כל המאמצים ליצור, גם רק מודל קטן בגודל 50 ס"מ, במעבדה מוקדשת, נותרו מושללים. חשוב לציין שהיחידה של ה- CNRS שמנהלת מחקר על פלזמות חמות כתבה שמחקרים אלו נוגעים רק בשני כיוונים אפשריים:

• ITER

• מיג'ואול

כדי להעניק תיאור, התוצאות שהגיעו מהאח הגדול של מיג'ואול, ה-NIF (National Ignition Facility) האמריקאי, היו מפתיעות מאוד, ולכן תקווה לחקור פליזיה על ידי לייזר באמצעות הרצפה של מיג'ואול גם היא אשליה. הפרויקט האמריקאי כולל 192 לייזרים של זכוכית מוסדרת בניאודימיום, והפרויקט הצרפתי יכלול 176. למרות הצלחת ה-NIF, הפרויקט הצרפתי ימשיך לסיים.

בנוסף, למה כישלון כזה?

מאמצע שנות ה-70, בזכות פרויקט מחקר סודי מאוד, Centurion Halite, האמריקאים ידעו שכדי לכווץ כדור של דאוטריום-טריטיום לנקודה שבה תתרחש פליזיה, נדרשת אנרגיה של 10-20 מג'אול. אך ה-NIF לא יכול היה למקד על הכדור רק 0.18 מג'אול, כלומר אנרגיה של 55 פעמים פחות. למרות שלייזרים יצרו 1.8 מג'אול, במערכת ה- hohlraum (ה"תנור") 80-90% מהאנרגיה הוקדשה להתחממות של זהב שבו נבנה התנור.

התנור הקטן, מזהב, שמכיל את היעד

החלק של האנרגיה שמגיע ליעד בפועל

היה בלתי אפשרי להכניס 50 פעמים יותר לייזרים. התיאורטיקנים של הפרויקט, יוחנן נולהולס בראשם, חשבו להכין את הכווץ לא על כדור אלא על שכבה של D-T מוצק, שנטלה על פני הפנים הפנימית של פלטפורמה קטנה. הסיכון היה שהכווץ יקרה לא טוב, בגלל אי יציבות של ריילי-טילור, שקרה כשנוצרת לחץ של נוזל על נוזל אחר. אפשר לדמיין בקלות מה קורה כשנוזל צפוף מפעיל לחץ על נוזל אחר, שנמצא מתחת:


אי היציבות של ריילי-טילור

נולהולס, בביטחון מהתוצאות של מודלים מחשוב, הבטיח שהאי יציבות לא תשקף את התוצאה של הניסוי. לפיו, הפליזיה תושג כבר בנסיונות הראשונים (ב-2012), והעבודה של הניסויים הייתה להזין את הפרמטרים של המודלים כדי שיתאימו טוב יותר לנתוני הניסוי. אך הפעילות הסתיימה בכישלון מוחלט. המדידות הראו שהאי יציבות של ריילי-טילור הייתה מפעילה במלואה.

איך אפשר להוכיח את זה? פשוט על ידי הכניסה של אטומים-רמזים ליעד שמאפשרים למדוד את מהירות הכווץ על ידי אפקט דופלר. הפליזיה דרשה שמהירות הכווץ תגיע ל-370 ק"מ לשנייה. היו רחוקים מהמטרה, והמהירויות היו מאוד מפוזרות, מה שמעיד על חוסר שלמות של תכונות אחידות.

לכן אנו מתמודדים עם כישלון של פעולה מורכבת (6 מיליארד דולר), שמבוססת לגמרי על מודלים שנעשו על מחשבים חזקים מאוד. האספקט השני הוא הפלישה למחשבה של נולהולס וצוותו. הם נאצו למחברים אחרים לניתוח הקוד שלהם, בהצדקת שהקוד הוא "סוד מחוות".

מהם הצרפתים? באמצע שנות ה-70 – תחילת שנות ה-80, כשפרויקט מיג'ואול היה מתפתח, האם ידעו את המספר 10-20 מג'אול על היעד, הנדרש כדי להשיג פליזיה? התברר שידעו. לוגית, זה היה צריך לעצור את הפרויקט. הצרפתים היו היחידים שיצאו אחרי האמריקאים. בכל מדינה אחרת, רוסיה, יפן, החוקרים היו מחזיקים "שורת לייזרים של כוח" (טראווואט אחד ללייזר). אבל במקום אחר, אמרו: "נראה את התוצאות של האמריקאים והצרפתים. אז נחליט". אלא אם כן, במיוחד ברוסיה, מהנדסים צבאיים היו בעלי פרויקט משל עצמם "Centurion-Halite".

הפרויקטים NIF ו-Mégajoule לא היו מוקדמים על ייצור אנרגיה על ידי פליזיה עם לייזרים, פשוט בגלל שהיעילות שלהם הייתה רק 1.5%. להציע את הרעיון שתחנות פליזיה תופיענה על בסיס זה הייתה פשוט להצטער על הציבור. בפועל, הפרויקטים היו 100% צבאיים. הכווץ של היעד נועד לשקף, בקנה מידה קטן, את הכווץ שקרה במכונה תרמו-גרעינית בגלל האירדיאציה של קרני X שנוצרו על ידי מכונה של פליזיה, על פלטינום 239. למה כישלון כזה?

בצרפת, פרט לפרויקטים הפארוניים ITER ו-Mégajoule, אין מחקר על סטילראטורים קטנים או מכונות Z. המכונה Sphinx, שנמצאת ב- Gramat, ב- Lot, ומבוצעת על ידי צבא, לא מאפשרת לחשוב על פליזיה על ידי כיווץ MHD. המכונה היא פשוט ... מדי איטית – זמן עלייה, 800 ננושניות. לצמצם את זמן ההפסקת הזרם אינו אפשרי. צריך ... התקן אחר.

למה שזמן עלייה קצר, סביב 100-150 ננושניות, חשוב כל כך? כי זמן עלייה כזה מזכיר זרם משתנה של כ-100 מגה הרץ. אך זרמים גבוהי תדר לא זורמים בתוך גוף המוליך אלא בקצוות שלו. זה נקרא אפקט העור. במכונות Z, מעבירים זרם דרך חוטים שקוטרם כמו שיער, או שזורים 70,000 אמפר. אם זמן העלייה איטי מדי, הזרם עובר עמוק מדי בתוך החוט ומשחרר אותו. עם זמן קצר, רק "עורו" של החוט הופך לפלאסמה.

יש גם תצורות אחרות כמו MagLif, שבהם מתבצעים דברים אחרת. היה מאוד מועיל בצרפת לבחור מסלולים כאלה. אך ה"אוכלים" האלה, ITER ו-Mégajoule, מונעים כל מחקר כזה.

לא ארחיב עוד על שני הפסדים האלה, ואסתפק בדיבור על אנקדוטה שגרמה לי לצחוק מאוד, הפעם האחרונה שטסתי בפליינר ב- Vinon, עם חבר. עד לרגע זה, מול המרכז, היה נוף אחיד, אך עכשיו עומד השריד(meta) מתכת של גודל עצום שיתן מקום ל-ITER. לפני חודשים, מטוס של טייס ספרדי נחת במרכז, עם המטוס שלו. לאחר ששתה קפה עם האנשים במקום, החליט לשוב. אך לאחר שטס, הפך לשמאל ופנה ישר ל-ITER.

האנשים בקריה האווירית (שנמצאים במשאית ישנה, שמשמשת כبرج מנהיגות) התחילו לצעוק במקלט, מודיעים לילד החכם שהمنطقة מונעת מעבר. האחר קבל, הפך לשמאל וענה:

• • כן, כן, entiendo. אני מפנה ומעביר את חלון הרכיבה...*