Definisi gaya
Stellarator
Wendelstein 7-X
17 Desember 2015
Akhirnya, orang Jerman, setelah 19 tahun panjang, menyelesaikan pemasangan mesin yang merupakan mimpi buruk teknologi nyata, yaitu stellarator. Pada awal bulan Desember, mesin ini menghasilkan plasma pertamanya, puluhan tahun sebelum ITER. Tentu saja, orang-orang yang mengunjungi situs saya langsung menyerbu saya dengan berbagai pertanyaan mengenai mesin ini.
Dibutuhkan 19 tahun agar proyek ini terwujud dan memakan waktu kerja sebanyak satu juta jam. Mesin ini memiliki 20 kumparan datar dan 50 kumparan tidak datar. Mengapa ada perbedaan ini? Saat ingin menciptakan medan magnet di kumparan-kumparan ini, arus listrik yang sangat kuat harus dialirkan, yang bisa mencapai dua belas ribu ampere. Namun, saat arus besar dialirkan melalui kumparan, kumparan tersebut mengalami gaya sentrifugal yang cenderung membentuk kumparan menjadi bentuk melingkar. Jika tidak diantisipasi, gaya ini bisa menyebabkan kumparan pecah. Karena geometri stellarator Jerman sangat rumit,
diperlukan kumparan dengan bentuk yang tidak hanya melingkar, tetapi juga melengkung:
Mengapa geometri sekompleks ini? Jika Anda menonton lima video yang saya unggah di YouTube, prinsip-prinsip dasar tokamak akan dijelaskan. Tokamak berasal dari ide dari dingin, yang dikemukakan oleh Andrei Sakharov dan Artsimovitch. Jika sebuah ruang toroidal dilengkapi dengan kumparan melingkar yang terdistribusi secara teratur, medan magnet akan lebih kuat di sekitar sumbu mesin, di tempat kumparan paling dekat satu sama lain. Plasma cenderung bergerak ke daerah dengan medan magnet minimal, sehingga medan magnet akan mendorong plasma yang dihasilkan di dalam ruang ke arah luar. Tokamak merupakan solusi pertama. Dengan menggunakan solenoida yang ditempatkan sepanjang sumbu mesin, yang menciptakan medan magnet yang secara perlahan meningkat (akan mencapai 13 tesla di ITER), yang mengelilingi ruang uji, arus terinduksi muncul dan mengalir secara melingkar dalam plasma. Arus ini sendiri menciptakan medan, disebut medan poloidal, yang bergabung dengan medan yang dihasilkan oleh kumparan yang mengelilingi ruang. Akibatnya, garis medan membentuk pola spiral.
Karena partikel bermuatan cenderung berputar mengelilingi garis medan magnet, mereka akan mengikuti jalur tersebut. Hal ini memungkinkan plasma tetap berada di tengah ruang. Solusi lain, yang diajukan oleh Amerika Serikat, Lyman Spitzer, pada tahun 1950-an, adalah membuat apa yang ia sebut Stellarator. Mesin Wendelstein X-7 adalah sebuah stellarator:
Warna kuning menunjukkan ruang mesin, warna biru menunjukkan banyak kumparan. Saat dirancang, stellarator Jerman mengalami banyak perhitungan komputer untuk mengoptimalkan bentuk ruang serta desain kumparannya. Semua ini membutuhkan kerja besar dan waktu kerja sebanyak satu juta jam.
Mengapa memilih stellarator daripada tokamak? Dalam tokamak (dan ITER), hambatan utama adalah kemungkinan terjadinya gangguan (disruption). Di dalam ruang, "arus plasma" (15 juta ampere untuk ITER) dapat digambarkan secara imajinatif seperti ular yang menggigit ekornya sendiri. Secara sederhana, gangguan dapat dibandingkan dengan putusnya cara arus ini berputar. Maka ular melepaskan ekornya dan bergerak "menggigit dinding". Di ITER, "gigitan" ini diperkirakan mencapai 11 juta ampere.
Penyebabnya: turbulensi MHD. Bahkan lebih buruk lagi: distorsi medan magnet ini disertai dengan gradien yang menjadi tempat percepatan partikel bermuatan: terutama elektron. Elektron ini mencapai kecepatan relativistik, mendekati kecepatan cahaya, dan memiliki energi yang sangat tinggi. Pada kecepatan tertentu, mereka hampir tidak lagi berinteraksi dengan ion. Mereka disebut elektron terlepas. Namun karena "efek domino", elektron ini mempercepat elektron lainnya. Terjadi efek perkalian yang sangat besar di ITER.
Dalam stellarator, fenomena ini tidak ada. Ini tidak berarti tidak ada ketidakstabilan lain yang bisa muncul. Hanya eksperimen yang akan memberikan jawaban atas pertanyaan ini. Selama setengah abad, mesin plasma telah memberikan terlalu banyak kejutan buruk, sehingga sangat penting untuk maju secara bertahap.
Mesin Jerman memiliki sistem magnetisasi dengan intensitas medan mencapai 3 tesla. Sistem pemanas mikro-ondanya dirancang untuk beroperasi selama 10 hingga 50 detik. Sistem injeksi netral menyediakan energi sebesar 8 MW. Dengan perangkat ini, para peneliti berharap dapat mencapai kepadatan plasma di ruang sebesar 3×10²⁰ inti per meter kubik dengan suhu mencapai 60 hingga 120 juta derajat.
Stellarator Jerman tidak akan mampu menghasilkan plasma fusi "otonom", di mana energi dari fusi cukup untuk mempertahankan suhu plasma pada tingkat yang cukup. Dengan berbagai mesin ini, upaya dilakukan untuk menyalakan "api nuklir". Anda bisa membandingkannya dengan usaha menyalakan "kayu yang agak basah" menggunakan potongan kayu peti atau "korek api mesin". Selama kayu basah tetap terbakar, kayu basah tersebut ikut berkontribusi dalam proses eksotermik. Ketika potongan kayu kering atau korek api habis, ada dua kemungkinan. Atau pembakaran kayu basah menghasilkan cukup panas agar api tetap terjaga secara otomatis, atau energi yang dihasilkan tidak cukup, dan api padam, sehingga Anda harus mulai lagi dengan korek api baru.
Belum ada mesin plasma di dunia yang berhasil menciptakan kondisi semacam ini. Mesin paling canggih: JET berhasil mencapai koefisien Q = energi yang disuntikkan / energi yang dihasilkan sebesar 0,6. Tujuan ITER adalah mencapai koefisien lebih besar dari satu. Sebagai catatan, kita tidak memiliki gambaran tentang bagaimana plasma fusi yang tiba-tiba otomatis terjaga akan berperilaku. Seperti halnya dalam semua hal yang berkaitan dengan topik ini, sangat sulit untuk membuat prediksi teoretis.
Stellarator Jerman memiliki biaya yang sebanding dengan kompleksitasnya. Saya kira biayanya mencapai satu miliar euro. Namun, ini adalah proyek yang telah matang. Mesin telah dibangun, perangkat magnetisasinya berfungsi, dan pada awal bulan Desember ini para peneliti berhasil menghasilkan plasma pertama mereka. Langkah selanjutnya adalah meningkatkan pasokan energi, yang dilakukan seperti pada tokamak dengan menggunakan mikro-ond dan injeksi netral. Teknik-teknik ini sudah dikuasai. Pertanyaan pertama adalah: "Apakah mesin ini memenuhi harapan dari segi pembatasan plasma?" Tampaknya jawaban awal positif telah diperoleh.
Apakah stellarator merupakan solusi untuk produksi energi fusi? Masih terlalu dini untuk mengatakan. Namun biayanya tetap 16 kali lebih rendah dibandingkan ITER. Mesin ini memiliki keunggulan besar dibandingkan proyek raksasa ini: mesin ini berfungsi, dan para peneliti tidak perlu takut akan kerusakan langsung akibat gangguan, yang tidak terjadi pada ITER.
Risiko ini sangat menghambat proyek tersebut. Jika kita melihat bagaimana ITER dirancang, setiap penggantian komponen bisa menjadi masalah yang tak terpecahkan. Komponen yang menjadi sasaran utama gangguan adalah elemen-elemen dari "divertor".
Gambar pertama memberi gambaran ukuran komponen tersebut dibandingkan dengan skala keseluruhan mesin. Ada video yang menunjukkan berapa akrobatiknya teknisi yang harus dilakukan untuk memasang komponen ini. Penggantian komponen juga akan sangat rumit. Lihat:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
Sebagai catatan, risiko gangguan meningkat seiring dengan daya yang ingin diambil dari plasma.
Stellarator Jerman adalah alat penelitian yang tidak menjanjikan menjadi pembangkit energi fusi. Dari segi ini, ini adalah proyek menarik yang masuk akal. Proyek ITER sejak awal sudah terlalu besar. Kita sangat meremehkan masalah teknis dan ilmiah yang mungkin muncul.
Di Prancis, kita tidak memiliki stellarator, bahkan mesin laboratorium sekalipun. Secara pribadi, saya telah menyarankan untuk menguji konfigurasi "simpul semanggi", yang juga mencerminkan penggulungan spiral garis medan magnet, namun memungkinkan penciptaan medan tersebut menggunakan kumparan melingkar.
Namun ruang ini dibangun di sekitar "jiwa" dengan persamaan:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
Dalam penampang lurus melingkar, titik medan maksimum berputar 270° setiap putaran, yang mungkin cukup untuk menjamin homogenitas plasma. Fakta bahwa kumparannya melingkar memungkinkan medan mencapai 10 tesla (medan nominal di ruang ITER adalah 11,8 tesla).
Namun semua upaya untuk merealisasikan, bahkan hanya sebuah maquette kecil berukuran 50 cm di laboratorium khusus, tetap tidak terwujud. Signifikan bahwa bagian CNRS yang mengelola penelitian plasma panas menyatakan bahwa penelitian ini hanya mencakup dua arah yang mungkin:
- ITER
- Mégajoule
Sebagai informasi, hasil dari NIF (National Ignition Facility), saudara kandung Mégajoule, sangat mengecewakan, sehingga harapan untuk meneliti fusi laser menggunakan fasilitas Mégajoule juga merupakan ilusi. Instalasi Amerika memiliki 192 laser berbasis kaca neodymium, sementara mesin Prancis memiliki 176. Meskipun NIF gagal, proyek Prancis tetap akan dilanjutkan hingga selesai.
Sebagai catatan, mengapa kegagalan ini terjadi?
Sejak pertengahan tahun 1970-an, berkat proyek riset sangat rahasia bernama Centurion Halite, Amerika sudah tahu bahwa untuk memampatkan bola deutrium-tritium hingga terjadi fusi di dalamnya, dibutuhkan energi sebesar 10 hingga 20 megajoule. Namun NIF hanya mampu fokuskan energi sebesar 0,18 megajoule pada tetesan tersebut, yaitu energi 55 kali lebih kecil. Padahal laser menghasilkan 1,8 megajoule energi. Namun dalam sistem hohlraum ("oven" atau "dapur"), 80 hingga 90% energi ini digunakan untuk memanaskan emas yang menjadi bagian dari oven mini ini.
Oven mini dari emas, yang menampung target
Bagian energi yang benar-benar terserap oleh target
Tidak mungkin memasang laser 50 kali lipat. Para teoretisi proyek, terutama John Nulholls, kemudian memikirkan kompresi tidak pada tetesan, tetapi pada lapisan D-T padat yang ditempatkan di permukaan dalam sebuah bola kecil. Risikonya adalah kompresi tidak merata akibat ketidakstabilan Raleigh-Taylor, yang terjadi saat suatu fluida menekan fluida lain. Ini bisa dengan mudah divisualisasikan dengan mempertimbangkan apa yang terjadi ketika fluida yang lebih padat menekan fluida lain yang berada di bawahnya:
Ketidakstabilan Raleigh-Taylor
Nulholls, percaya pada prediksi dari simulasi numeriknya, menjamin bahwa ketidakstabilan ini hanya akan berdampak kecil terhadap hasil eksperimen. Menurutnya, fusi akan terjadi pada uji pertama (pada 2012), dan pekerjaan eksperimen hanya perlu menyesuaikan parameter simulasi agar sesuai dengan data eksperimen. Namun kampanye uji berakhir dengan kegagalan total. Pengukuran menunjukkan bahwa ketidakstabilan Raleigh-Taylor benar-benar berperan besar.
Bagaimana hal ini bisa dibuktikan? Cukup dengan menempatkan atom pelacak dalam target untuk mengukur kecepatan implosi menggunakan efek Doppler. Fusi membutuhkan kecepatan implosi mencapai 370 km/detik. Jauh dari target, dan kecepatan implosi sangat tersebar, menunjukkan ketiadaan keaturan sepenuhnya.
Kita dihadapkan pada kegag