Definicja stylów
Stellarator
Wendelstein 7-X
17 grudnia 2015
Ostatecznie Niemcy, po 19 długich latach, ukończyły montaż tego prawdziwego technologicznego koszmaru, jakim jest stellarator. Na początku grudnia maszyna wytworzyła swój pierwszy plazmę, dziesięciolecie przed ITER. Oczywiście ludzie, którzy odwiedzają mój serwis, zasypali mnie pytaniami o tę maszynę.
Aby projekt się urzeczywistnił, potrzeba było 19 lat i miliona godzin pracy. Liczy on 20 cewek płaskich i 50 cewek niепłaskich. Dlaczego to rozróżnienie? Gdy chcemy wytworzyć pole magnetyczne w tych cewkach, przez nie musi płynąć bardzo silny prąd, który może osiągać dwanaście tysięcy amperów. Jednak gdy przez uzwojenie przepływa silny prąd, ulega on działaniu sił odśrodkowych, które dążą do nadania mu kształtu kołowego. W takim przypadku te siły mogą spowodować zerwanie cewki. Z uwagi na bardzo skomplikowaną geometrię niemieckiego stellaratora
konieczne było zaprojektowanie cewek o kształtach nie tylko kołowych, ale także skręconych:
Dlaczego taka skomplikowana geometria? Jeśli obejrzysz pięć filmów, które umieściłem na YouTube, tam zostaną przedstawione zasady działania tokamaków. Zaczynają się one od pomysłu pochodzącego z zimna, wynikającego z prac Andreja Sacharowa i Artisimowicza. Gdy na toroidalnej komorze umieścimy kołowe cewki, równomiernie rozłożone, pole magnetyczne będzie silniejsze w pobliżu osi maszyny, tam gdzie cewki są najbliżej siebie. Plazmy mają tendencję do przenoszenia się do obszarów o najmniejszym polu, co oznacza, że pole magnetyczne będzie dążyć do wypychania plazmy, tworzonej w komorze, na zewnątrz. Tokamak to pierwsze rozwiązanie. Przy użyciu cewki osiowej, która tworzy powoli rosnące pole (osiągnie 13 tesli w ITER), które wypełnia komorę testową, powstaje indukowany prąd, który kręci się wokół plazmy. Ten prąd sam tworzy pole, nazywane poloidalne, które łączy się z polem wytworzonym przez cewki otaczające komorę. W rezultacie linie pola przyjmują kształt spiralny.
Ponieważ cząstki naładowane mają tendencję do spiraling wokół linii pola magnetycznego, będą one podążać wzdłuż nich. To pozwoli utrzymać plazmę w środku komory. Drugim rozwiązaniem, zaproponowanym przez Amerykanina Lymana Spitzera w latach pięćdziesiątych, jest właśnie stellarator. Maszyna Wendelstein X-7 to właśnie stellarator:
Na żółto – komora maszyny, na niebiesko – wiele cewek. Podczas projektowania niemieckiego stellaratora przeprowadzono liczne obliczenia komputerowe, aby zoptymalizować kształt komory oraz wygląd cewek. Wszystko to wymagało ogromnej pracy i miliona godzin pracy.
Dlaczego wybrać stellarator zamiast tokamaka? W tokamaku (i w ITER) głównym problemem jest możliwość wystąpienia rozregulowania. Wewnątrz komory „prąd plazmy” (15 milionów amperów dla ITER) można sobie wyobrazić jako węża, który gryzie się w ogon. Bardzo uproszczony obraz rozregulowania to zerwanie sposobu, w jaki ten prąd się wiąże. Wtedy wąż puści ogon i zaczyna „gryźć ścianę”. W ITER ten „kłucie” oceniany jest na 11 milionów amperów.
Przyczyna: turbulencja MHD. Co gorsza: ta deformacja pola magnetycznego towarzyszy się gradientom, które są równocześnie obszarami przyspieszającymi cząstki naładowane: głównie elektrony. Te osiągają prędkości relatywistyczne, zbliżone do prędkości światła, uzyskując bardzo duże energie. Po przekroczeniu pewnej prędkości praktycznie przestają oddziaływać z jonami. Nazywamy je wtedy rozłączonymi elektronami. Jednak „efektem lawiny” przyspieszają inne elektrony. Występuje tu silny efekt mnożeniowy, ogromny w skali ITER.
W stellaratorze te zjawiska nie występują. To nie oznacza, że inne niestabilności nie mogą się pojawić. Odpowiedź na to pytanie dostarczy jedynie eksperymentacja. Przez pół wieku maszyny plazmowe przynosiły zbyt wiele nieprzyjemnych zaskoczeń, aby nie było konieczności postępu w krokach.
Niemiecka maszyna ma system magnetyczny, w którym intensywność pola osiąga 3 tesle. System nagrzewania mikrofalowego ma być w stanie działać przez 10 do 50 sekund. System iniekcji neutronów zapewnia przepływ energii o mocy 8 MW. Z tym urządzeniem badacze liczą się na podniesienie gęstości plazmy w komorze do 3×10²⁰ jąder na metr sześcienny oraz temperatury do 60–120 milionów stopni Celsjusza.
Niemiecki stellarator nie pozwoli na uzyskanie „autonomicznego” plazmy fuzji, gdzie energia z fuzji wystarczyłaby do utrzymania odpowiedniej temperatury plazmy. Z tymi różnymi maszynami staramy się zapalić „ognisko jądrowe”. Można to porównać do próby zapalenia „trochę wilgotnego drewna” za pomocą kawałków skrzynki lub „zapalniczki maszynowej”. Dopóki drewno wilgotne się pali, uczestniczy ono w procesie egzotermicznym. Gdy suche kawałki drewna lub zapalniczka zostaną zużyte, są dwa przypadki: albo spalanie wilgotnego drewna wydziela wystarczającą ilość ciepła, aby ogień utrzymał się sam, albo ta wydzielona energia będzie niewystarczająca i ogień zgaśnie, a trzeba będzie zacząć od nowa z nową zapalniczką.
Żadna maszyna plazmowa na świecie nie była dotąd w stanie stworzyć takich warunków. Najbardziej wydajna: JET osiągnęła współczynnik Q = energia dostarczona / energia wytworzona na poziomie 0,6. Celem ITER było osiągnięcie współczynnika większego niż jedynka. W trakcie tego, nie mamy żadnych pojęć o tym, jak zachowuje się plazma fuzji, która nagle zaczyna się samoalimentować. Jak w każdym temacie dotykającym tych kwestii, bardzo trudno jest przeprowadzić teoretyczne prognozy.
Niemiecki stellarator miał koszt proporcjonalny do jego skomplikowania. Uważam, że wydatki wyniosły miliard euro. Ale to projekt, który dojrzał. Maszyna została zbudowana, jej układy magnetyczne są działające, a na początku grudnia badacze uzyskali swój pierwszy plazmę. Następstwem będzie zwiększenie dostarczanej energii, co, podobnie jak w tokamakach, będzie realizowane za pomocą mikrofal i iniekcji neutronów. To są techniki dobrze opanowane. Pierwsze pytanie brzmi: „Czy ta maszyna spełnia oczekiwania pod względem utrzymywania plazmy?”. Wydaje się, że uzyskano pozytywną odpowiedź.
Czy stellarator stanowi rozwiązanie w zakresie produkcji energii przez fuzję? Jeszcze za wcześnie, by to stwierdzić. Ale jego koszt jest 16 razy niższy niż koszt ITER. Maszyna ma ogromną przewagę nad tym projektowym faraonem: działa, a badacze nie muszą się obawiać, że zostanie natychmiast uszkodzona przez rozregulowanie, co nie jest przypadkiem z ITER.
Ten ryzyko bardzo utrudnia ten projekt. Jeśli spojrzymy na sposób budowy ITER, to każdy wymiana elementu może stanowić nie do rozwiązania problem. Elementy, które są głównym celem rozregulowań, to elementy „dywergora”.
Pierwsze zdjęcie pozwala ocenić rozmiar elementu w stosunku do całej maszyny. Istnieje film, który pokazuje, jakie akrobatyczne manewry technicy będą musieli wykonać, aby zainstalować te elementy. Ich wymiana będzie równie problematyczna. Zobacz:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
W trakcie tego ryzyko rozregulowania rośnie wraz z mocą, którą chcemy wydobyć z plazmy.
Niemycki stellarator to narzędzie badawcze, które nie ma żadnych pretensji do bycia wstępem do generatora energii przez fuzję. Pod tym względem to projekt ciekawy, który wpisuje się w rozumność. Projekt ITER był od początku faraonowski. Przeceniono strasznie problemy techniczne i naukowe, które mogły się pojawić.
W Francji nie mamy stellaratora, nawet jeśli byłby to urządzenie laboratoryjne. Osobiście zaproponowałem test konfiguracji „w węźle trzylistnego”. Ta konfiguracja również oznacza spiralne zwojenie linii pola magnetycznego, jednocześnie umożliwiając ich tworzenie za pomocą kołowych cewek.
Jednak ta komora została zbudowana wokół „duszy”, której równanie ma postać:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
W poprzecznym, kołowym przekroju punkt maksymalnego pola obraca się o 270° przy każdym obrocie, co mogłoby być wystarczające do zapewnienia jednorodności plazmy. Fakt, że uzwojenia są kołowe, pozwoliłoby na osiągnięcie pola 10 tesli (nominalne pole w komorze ITER to 11,8 tesli).
Jednak wszystkie wysiłki na rzecz zbudowania nawet niewielkiej modelu o średnicy 50 cm w specjalistycznym laboratorium zostały bezskuteczne. Znaczące jest to, że działanie CNRS zajmujące się badaniami plazmą ciepłą stwierdziło, że badania te ograniczają się do dwóch możliwych kierunków:
-
ITER
-
Mégajoule.
Na przykład, wyniki uzyskane przez starszego brata Mégajoule, amerykański NIF (National Ignition Facility), były bardzo rozczarowujące, więc nadzieja na badanie fuzji laserowej przy użyciu stanowiska Mégajoule również jest iluzją. Amerykańska instalacja ma 192 lasery z szkła domieszkowanego neodymem, francuska ma 176. Mimo porażki NIF projekt francuski będzie realizowany do końca.
W trakcie, dlaczego takie porażki?
Od połowy lat sześćdziesiątych dzięki bardzo tajnemu projektowi badawczemu Centurion Halite Amerykanie wiedzieli, że do skompresowania kuli deuterynu-tritynu do punktu, w którym w jej wnętrzu wystąpi fuzja, potrzebne jest dostarczenie energii 10–20 megadżuli. Jednak NIF mógł skupić na tej kropce tylko 0,18 megadżuli, czyli energię 55 razy mniejszą. Mimo że lasery produkowały 1,8 megadżuli energii, w systemie hohlraum („pieca”) 80–90% tej energii zużywane było na nagrzewanie złota, z którego zbudowany był ten mini-piec.
Mini-piec z złota, w którym umieszczona jest cel
Część energii, która faktycznie trafia na cel
Zamontowanie pięćdziesięciokrotnie więcej laserów było wykluczone. Teoretycy projektu, John Nulholls na czele, zaproponowali więc kompresję nie na kropce, ale na warstwie związków D-T w stanie stałym, naniesionej na wewnętrzne ściany mikroskopijnej lampy. Ryzyko było takie, że kompresja byłaby nieprawidłowa z powodu niestabilności Raleigh-T