Определение стилей
Стелларатор
Венделштейн 7-Х
17 декабря 2015 года
Вот, наконец-то, немцы, после 19 долгих лет, завершили сборку этого настоящего технологического кошмара, называемого стелларатором. В начале декабря эта машина произвела свой первый плазменный разряд, десятилетиями раньше, чем ИТЕР. Естественно, люди, посещающие мой сайт, обрушили меня вопросами об этой машине.
Понадобилось 19 лет, чтобы этот проект увидел свет, и миллион часов работы. В нем 20 плоских катушек и 50 неплоских. Почему такое различие? Когда вы хотите создать магнитное поле в этих катушках, необходимо пропустить через них очень сильный ток, достигающий 12 000 ампер. Однако, когда через катушку проходит сильный ток, на нее действуют центробежные силы, которые стремятся придать ей круглую форму. В этом случае эти силы могут привести к разрушению катушки. Торус немецкого стелларатора имеет очень сложную геометрию
поэтому пришлось предусмотреть катушки, имеющие не только круглую, но и изогнутую форму:
Почему такая сложная геометрия? Если вы посмотрите пять видео, которые я разместил на YouTube, там представлены основные принципы токамаков. Идея пришла из холодной физики, благодаря Андрею Сахарову и Арцимовичу. Если оснастить тороидальную камеру круговыми катушками, равномерно расположенными, магнитное поле будет более интенсивным вблизи оси машины, где катушки находятся ближе друг к другу. Плазма склонна к перемещению в области с минимальным полем, поэтому магнитное поле будет стремиться вытолкнуть плазму, созданную в камере, наружу. Токамак представляет собой первое решение. С помощью соленоида, расположенного вдоль оси машины, создающего медленно растущее поле (достигающее 13 тесл на ИТЕР), которое омывает испытательную камеру, создается индуцированный ток, циркулирующий в плазме. Этот ток сам по себе создает поле, называемое полоидальным, которое складывается с полем, созданным катушками, окружающими камеру. В результате линии магнитного поля принимают спиральную форму.
Поскольку заряженные частицы склонны самим спирально двигаться вокруг линий магнитного поля, они будут следовать за ними. Это позволит удерживать плазму в центре камеры. Другое решение, предложенное американцем Лайманом Спитцером в 1950-х годах, заключается в том, чтобы сделать то, что он назвал стелларатором. Машина Венделштейн 7-Х — это стелларатор:
В желтом — камера машины, в синем — множество катушек. При проектировании немецкого стелларатора было проведено множество компьютерных расчетов для оптимизации формы камеры и конструкции катушек. Все это потребовало огромной работы и миллион часов работы.
Почему выбрать стелларатор вместо токамака? В токамаке (и в ИТЕР) основная проблема — возможность возникновения разрядов. Внутри камеры "плазменный ток" (15 миллионов ампер для ИТЕР) можно представить как змею, которая кусает себя за хвост. Схематично, разряд можно сравнить с разрывом способа, которым этот ток наматывается. Тогда змея отпускает хвост и уходит "кусать стенку". На ИТЕР это "усечение" оценивается в 11 миллионов ампер.
Причина: магнитогидродинамическая турбулентность. Еще хуже: это искажение магнитного поля сопровождается градиентами, которые представляют собой области, ускоряющие заряженные частицы: в основном электроны. Эти электроны приобретают релятивистские скорости, близкие к скорости света, и получают очень большие энергии. При определенной скорости они практически перестают взаимодействовать с ионами. Их называют развязанными электронами. Но из-за "avalanche-эффекта" они ускоряют другие электроны. Происходит множительный эффект, значительный для ИТЕР.
В стеллараторе эти явления отсутствуют. Это не означает, что другие нестабильности не могут проявиться. Только эксперименты дадут ответ на этот вопрос. В течение полувека плазменные машины преподнесли слишком много неприятных сюрпризов, чтобы не быть вынужденными двигаться постепенно.
Немецкая машина имеет систему магнитизации, в которой интенсивность поля достигает 3 тесл. Система нагрева микроволнами предназначена для работы в течение 10–50 секунд. Система впрыска нейтронов обеспечивает подачу энергии мощностью 8 МВт. С помощью этого устройства ученые надеются достичь в камере плотности плазмы 3 × 1020 ядер на кубический метр при температуре 60–120 миллионов градусов.
Немецкий стелларатор не сможет создать "самостоятельный" плазменный разряд, в котором энергия от реакции синтеза будет достаточно для поддержания температуры плазмы на достаточном уровне. С помощью этих различных машин пытаются зажечь "ядерный огонь". Вы можете сравнить это с попыткой зажечь "немного влажную древесину" с помощью кусочков коробки или "зажигалки". Пока влажная древесина горит, она участвует в экзотермическом процессе. Когда сухие кусочки древесины или зажигалка сгорят, возможны два варианта. Либо тепло, выделяемое влажной древесиной, достаточно, чтобы поддерживать огонь, либо выделяемая энергия будет недостаточной, и огонь погаснет, и вам придется начать все заново с новой зажигалкой.
Ни одна из плазменных машин в мире до сих пор не смогла создать такие условия. Самая эффективная — JET позволила достичь коэффициента Q = введенная энергия/выработанная энергия, равного 0,6. Целью ИТЕР было достичь коэффициента, превышающего единицу. На проходе, у нас нет никакого представления о том, как ведет себя плазма синтеза, внезапно самоподдерживающаяся. Как и везде, касающимся этих вопросов, трудно делать теоретические прогнозы.
Немецкий стелларатор имел стоимость, пропорциональную его сложности. Я думаю, что расходы составили миллиард евро. Но это проект, который достиг зрелости. Машина построена, ее магнитные устройства работают, и в начале декабря ученые получили свой первый плазменный разряд. Далее будет увеличиваться подача энергии, которая, как и в токамаках, осуществляется с помощью микроволн и впрыска нейтронов. Это технологии, которые хорошо изучены. Первый вопрос: "Эта машина соответствует ожиданиям с точки зрения удержания плазмы?" Похоже, что получено положительный ответ.
Представляет ли стелларатор решение в отношении производства энергии с помощью синтеза? Слишком рано говорить об этом. Но его стоимость остается в 16 раз ниже, чем у ИТЕР. Машина имеет огромное преимущество перед этим гигантским проектом: она работает, и ученые не должны бояться, что она будет мгновенно повреждена разрядом, что не относится к ИТЕР.
Этот риск серьезно затрудняет последний проект. Если посмотреть, как спроектирован ИТЕР, любая замена компонента может стать неразрешимой проблемой. Компоненты, которые представляют собой любимую мишень для этих разрядов, ...