Definirea stilurilor
Stellaratorul
Wendelstein 7-X
17 decembrie 2015
Iată, germanii, după 19 de lungi ani, au terminat montarea acestui adevărat coșmar tehnologic reprezentat de un stellarator. În prima săptămână a decembriei, această mașină a produs primul său plasma, cu decenii înainte de ITER. Desigur, oamenii care vizitează site-ul meu m-au asaltat cu întrebări despre această mașină.
A fost nevoie de 19 ani ca acest proiect să se materializeze și un milion de ore de muncă. Are 20 de bobine plane și 50 de bobine neplane. De ce această diferențiere? Când vrei să creezi un câmp magnetic în aceste bobine, trebuie să faci să circule un curent foarte puternic, care poate atinge 12.000 de amperi. Dar când faci să treacă un curent intens printr-un înfășurare, aceasta este supusă forțelor centrifuge care o îndeamnă să adopte o formă circulară. În acest caz, aceste forțe pot duce la ruperea bobinei. Venea stellaratorului german având o geometrie foarte complicată,
a fost necesar să se prevadă bobine cu forme nu doar circulare, ci și încrucișate:
De ce o geometrie atât de complicată? Dacă vedeți cele 5 videoclipuri pe care le-am instalat pe YouTube, principiile directoare ale tokamakurilor sunt prezentate acolo. Acestea pornesc de la o idee venită din rece, datorată lui Andrei Sakharov și Artsimovitch. Dacă echipăm o cameră toroidală cu înfășurări circulare, dispuse uniform, câmpul magnetic va fi mai intens lângă axa mașinii, acolo unde bobinele sunt cel mai apropiate unele de altele. Plasma tende să se deplaseze spre zonele unde câmpul este minim, așa că acest câmp magnetic va îndepărta plasma generată în cameră spre exterior. Tokamakul reprezintă o primă soluție. Prin intermediul unui solenoid așezat de-a lungul axei mașinii, care creează un câmp magnetic care crește lent (care va atinge 13 tesla pe ITER), care îmbracă camera de testare, se generează un curent indus care se închide circular în plasma. Acest curent creează un câmp propriu, numit poloidal, care se compune cu cel creat de bobinele care înconjoară camera. În final, liniile de câmp au o formă spiralată.
Deoarece particulele încărcate au tendința să se învârtă în jurul liniilor de câmp magnetic, ele vor urma acestea. Acest lucru va permite menținerea plasmai în centrul camerei. A doua soluție, sugerată de americanul Lyman Spitzer în anii 50, este cea numită stellarator. Mașina Wendelstein X-7 este un stellarator:
În galben, camera mașinii, în albastru, numeroasele bobine. La concepția stellaratorului german au fost efectuați numeroși calculi pe calculator pentru a optimiza forma camerei și desenul bobinelor. Totul a cerut un muncă enorm și un milion de ore de muncă.
De ce ales stellaratorul în loc de tokamak? În tokamak (și în ITER) problema majoră este posibilitatea apariției unor disruptii. În interiorul camerei, „curentul de plasma” (15 milioane de amperi pentru ITER) poate fi imaginat ca un șarpe care își mănâncă coada. În mod foarte schematic, o disruptie poate fi comparată cu ruperea modului în care acest curent se înfășoară. Atunci șarpele eliberează coada și se îndreaptă „să muște peretele”. Pe ITER această „mușcătură” este estimată la 11 milioane de amperi.
Cauza: turbulență MHD. Mai rău: această distorsiune a câmpului magnetic este însoțită de gradienti care sunt zone care accelerează particulele încărcate: în principal electronii. Aceștia dobândesc viteze relativiste, apropiate de viteza luminii, și dobândesc energii foarte mari. De la o anumită viteză, ei încetează practic să interacționeze cu ionii. Ii numim atunci electroni decuplați. Dar prin „efect de avalanșă” ei accelerează alți electroni. Există un efect multiplicativ considerabil pe ITER.
Într-un stellarator, aceste fenomene nu există. Acest lucru nu înseamnă că alte instabilități nu ar putea apărea. Doar experimentarea va aduce răspunsul la această întrebare. De jumătate de secol, mașinile de plasma au rezervat prea multe surprize neplăcute pentru ca nu cumva să fie necesar să avansăm treptat.
Mașina germană are un sistem de magnetizare unde intensitatea câmpului atinge 3 tesla. Sistemul de încălzire prin microonde este prevăzut pentru a funcționa timp de 10 până la 50 de secunde. Un sistem de injecție de neutroni reprezintă un aport de energie de o putere de 8 MW. Cu acest dispozitiv, cercetătorii speră să aducă plasma, în cameră, la o densitate de 3 × 10²⁰ de nuclee pe metru cub, la o temperatură de 60 până la 120 de milioane de grade.
Stellaratorul german nu va permite obținerea unui plasma de fuziune „autonom”, unde energia provenită din fuziune ar fi suficientă pentru a menține temperatura plasmai la un nivel suficient. Cu aceste mașini, se încearcă aprinderea „flăcării nucleare”. Puteți compara asta cu o încercare de a aprinde „lemn umed” cu bucăți de coș sau un „aprinzător” mecanic. Atâta timp cât lemnul umed arde, el participă la procesul exoenergetic. Când bucățile de lemn uscat sau aprinzătorul sunt consumate, două scenarii posibile. Sau arderea lemnului umed eliberează suficientă căldură pentru ca flacăra să fie autoîntreținută, sau acea energie eliberată va fi insuficientă și flacăra se va stinge, iar voi va trebui să începeți din nou operațiunea cu un nou aprinzător.
Nicio mașină de plasma din lume nu a reușit până acum să creeze astfel de condiții. Cea mai performantă: JET a permis ridicarea coeficientului Q = energie injectată / energie produsă la valoarea 0,6. Scopul lui ITER era să obțină un coeficient mai mare decât unitatea. În trecere, nu avem nicio idee despre cum ar putea se comporta un plasma de fuziune care ar fi brusc autoîntreținut. La fel ca în orice chestiune legată de aceste subiecte, este foarte greu să faci predicții teoretice.
Stellaratorul german a reprezentat un cost proporțional cu complexitatea sa. Cred că cheltuielile au ajuns la un miliard de euro. Dar este un proiect care a ajuns la maturitate. Mașina a fost construită, dispozitivele sale de magnetizare sunt operaționale și la începutul lunii decembrie cercetătorii au obținut primul lor plasma. Următorul pas va fi creșterea aportului de energie, negociat, ca în tokamakuri, prin microonde și injecții de neutroni. Aceste tehnici sunt bine stăpânite. Prima întrebare este: „Această mașină răspunde așteptărilor în ceea ce privește confinarea plasmai?” Se pare că o primă răspuns pozitiv a fost obținut.
Reprezintă stellaratorul o soluție pentru producerea de energie prin fuziune? E prea devreme să spunem. Dar costul său rămâne de 16 ori mai mic decât cel al lui ITER. Mașina are o mare avansare față de acest proiect faraonic: funcționează, iar cercetătorii nu trebuie să se teamă că va fi imediat deteriorată de o disruptie, ceea ce nu se întâmplă cu ITER.
Acest risc afectează teribil acest proiect. Dacă privim cum este conceput ITER, orice înlocuire a unui component poate constitui un problemă insolubilă. Componentele care reprezintă ținta favorită a acestor disruptii sunt elementele „divertorului”.
Prima imagine permite evaluarea mărimii piesei, în raport cu scara întregii mașini. Există o videoclip care arată la ce acrobii vor fi nevoiți să se dedice tehnicienii pentru a asigura montarea componentelor. Înlocuirea lor va fi la fel de problematică. Vedeți:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
În trecere, riscul de disruptie crește cu puterea pe care o căutăm să o extragem din plasma.
Stellaratorul german este un instrument de cercetare care nu are nicio pretenție de a fi o prefigurare a unui generator de energie prin fuziune. În acest sens, este un proiect interesant, care se încadrează într-o raționalitate. Proiectul ITER a fost de la început faraonic. Am subestimat teribil problemele tehnice și științifice pe care le-am putea întâlni.
În Franța, nu avem un stellarator, chiar dacă ar fi mașini de laborator. Personal, am sugerat testarea unei configurații „în nod de trifoi”, care traduce de asemenea un înfășurare spirală a liniilor de câmp magnetic, în același timp permițând crearea acestuia cu ajutorul bobinelor circulare.
Dar această cameră este construită în jurul unei „inimi” ale cărei ecuații sunt:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
Într-o secțiune dreaptă, circulară, punctul de câmp maxim se rotește cu 270° la fiecare tură, ceea ce ar putea fi suficient pentru a garanta omogenitatea plasmai. Faptul că înfășurările sunt circulare ar permite creșterea câmpului la 10 tesla (câmpul nominal în camera lui ITER este de 11,8 tesla).
Dar toate eforturile pentru a realiza, chiar și o mică mașină de 50 cm, într-un laborator specializat, au rămas în paginile morte. Este semnificativ că secțiunea CNRS care gestionează cercetările privind plasmele calde a scris că aceste studii se rezumau la două axe posibile:
-
ITER
-
Mégajoule.
Ca indicație, rezultatele obținute de fratele mai mare al lui Mégajoule, NIF (National Ignition Facility), americane, au fost mai mult decât dezamăgitoare, așa că speranța de a studia fuziunea prin laser cu ajutorul bancului Mégajoule este, de asemenea, o iluzie. Instalația americană are 192 de laseri cu sticlă dopată cu neodim, iar mașina franceză va avea 176. În ciuda eşecului NIF, proiectul francez va fi finalizat.
În trecere, de ce un asemenea eşec?
Deja în jumătatea anilor 70, datorită unui proiect de cercetare ultra-secret, Centurion Halite, americani știau că pentru a comprima o sferă de deuteriu-tritiu la punctul de a crea fuziune în interiorul ei, era nevoie de un aport de energie de 10 până la 20 megajouli. Însă NIF nu putea concentra pe această picătură decât 0,18 megajouli, adică o energie de 55 de ori mai mică. Deși laserii produc 1,8 megajouli de energie, în sistemul hohlraum („furnalul”) 80-90% din această energie era dedicată încălzirii aurului din care era făcut acel mic furnal.
Furnalul mic, din aur, care adăpostește ținta
**Part