Визначення стилів
Стелларатор
Wendelstein 7-X
17 грудня 2015 року
Нарешті, німці, після 19 довгих років, завершили збирання цього справжнього технологічного кошмару — стелларатора. На початку грудня ця машина виробила свій перший плазму, на десятиліття раніше, ніж ITER. Звичайно, люди, які відвідують мій сайт, тисячами звернулися до мене з питаннями про цю машину.
На реалізацію цього проекту знадобилося 19 років і мільйон годин роботи. Машина має 20 плоских котушок і 50 неплоских. Чому ця різниця? Коли потрібно створити магнітне поле в цих котушках, через них повинен проходити дуже сильний струм, що може досягати 12 тисяч ампер. Але коли через обмотку проходить сильний струм, вона піддається центробіжним силам, що спрямовані на надання їй колової форми. У разі, якщо ці сили не контролюються, вони можуть призвести до розриву котушки. Оскільки геометрія німецького стелларатора дуже складна,
було необхідно передбачити котушки не лише колової, а й скрученої форми:
Чому така складна геометрія? Якщо ви переглянете 5 відео, які я розмістив на YouTube, в них пояснено основні принципи токамаків. Вони ґрунтуються на ідеї, що виникла з холоду, завдяки Андрію Сахарову та Арцимовичу. Якщо обладнати тороїдальну камеру коловими котушками, рівномірно розташованими, магнітне поле буде більш інтенсивним поблизу осі машини, де котушки найближчі одна до одної. Оскільки плазма має тенденцію рухатися до областей з мінімальним полем, це призведе до того, що магнітне поле буде витискати створену в камері плазму назовні. Токамак — це перше рішення. За допомогою соленоїда, розташованого вздовж осі машини, який створює повільно зростаюче поле (на ITER воно досягне 13 тесл), яке омиває камеру, виникає індукований струм, що обертається навколо плазми. Цей струм сам створює магнітне поле, зване полоїдальним, яке складається з поля, створеного котушками, що оточують камеру. У результаті лінії магнітного поля набувають спіральної форми.
Оскільки заряджені частинки мають тенденцію самі спіралізуватися навколо ліній магнітного поля, вони будуть слідувати за ними. Це дозволить утримувати плазму у центрі камери. Інше рішення, запропоноване американцем Лайманом Спітцером у 1950-х роках, — це стелларатор. Машина Wendelstein X-7 — це стелларатор:
Жовтим кольором позначена камера машини, синім — багато котушок. Під час проектування німецького стелларатора було здійснено багато обчислень на комп'ютері, щоб оптимізувати форму камери та розташування котушок. Усе це вимагало величезної роботи і мільйона годин праці.
Чому вибрати стелларатор замість токамака? У токамака (і ITER) основна проблема — можливість виникнення розривів. Усередині камери «струм плазми» (15 мільйонів ампер для ITER) можна уявити собі як змію, що кусає себе за хвіст. Дуже спрощено, розрив можна порівняти з розривом, який виникає при намотуванні цього струму. Коли змія відпускає хвіст, вона «кусає стінку». На ITER цей «кусінь» оцінюється в 11 мільйонів ампер.
Причина — магнітогідродинамічна турбулентність. Ще гірше: ця дисфункція магнітного поля супроводжується градієнтами, які є джерелами прискорення заряджених частинок — головним чином електронів. Вони набувають релятивістських швидкостей, близьких до швидкості світла, і дуже великих енергій. Коли швидкість досягає певного рівня, вони практично перестають взаємодіяти з іонами. Такі електрони називаються від’єднаними. Але через «лавинний ефект» вони прискорюють інші електрони. Це призводить до сильного множення, що є дуже серйозною проблемою для ITER.
У стеллараторі ці явища не виникають. Це не означає, що інші нестабільності не можуть проявитися. Відповідь на це питання дасть лише експеримент. Останні піввіччя машини для плазми дали занадто багато неприємних сюрпризів, щоб не рухатися поступово.
Німецька машина має систему магнітного полювання, де інтенсивність поля досягає 3 тесли. Система нагріву мікрохвильами передбачає роботу протягом 10–50 секунд. Система інжекції нейтронів забезпечує потужність 8 МВт. З цим обладнанням дослідники сподіваються збільшити плазму в камері до густини 3×10²⁰ ядер на кубічний метр і температури 60–120 мільйонів градусів.
Німецький стелларатор не дозволить отримати «автономну» плазму з фузії, коли енергія від фузії буде достатньою для підтримки температури плазми на необхідному рівні. З цими машинами намагаються запалити «ядерне полум’я». Це можна порівняти з спробою запалити «трохи вологе дерево» за допомогою шматків піддону або «запалювача». Поки воно горить, вологе дерево береться участь у екзотермічному процесі. Коли сухі шматки або запалювач згорять, можливі два варіанти: або вологе дерево виділяє достатньо тепла, щоб полум’я підтримувалося саме, або виділеної енергії буде недостатньо, і полум’я згасне, і вам доведеться почати знову з новим запалювачем.
Ні одна машина для плазми в світі досі не змогла створити таких умов. Найефективніша — JET, яка змогла підняти коефіцієнт Q = енергія, введена / енергія, вироблена, до значення 0,6. Мета ITER полягала у досягненні коефіцієнта, більшого за одиницю. У той же час ми ніяк не знаємо, як поводитиметься плазма з фузією, яка раптово стане автономною. Як і у всьому, що стосується цих питань, теоретичні передбачення дуже складні.
Німецький стелларатор коштував стільки, скільки його складність. Я вважаю, що витрати становлять близько мільярда євро. Але це проект, що досяг зрілості. Машина побудована, її магнітні системи працюють, і на початку грудня дослідники отримали свою першу плазму. Наступним кроком буде збільшення енергії, яку вводять, як у токамаках — за допомогою мікрохвиль і інжекції нейтронів. Ці технології вже відпрацьовані. Перше питання: «Чи відповідає ця машина очікуванням щодо утримання плазми?» Здається, вже отримано позитивну відповідь.
Чи є стелларатор рішенням для енергетики на основі фузії? Ще занадто рано говорити. Але його вартість у 16 разів нижча, ніж у ITER. Машина має величезну перевагу перед цим фараонівським проектом: вона працює, і дослідники не мають страху, що вона буде миттєво пошкоджена розривом, що є проблемою для ITER.
Цей ризик дуже сильно ускладнює проект ITER. Якщо подивитися, як спроектована машина, будь-яка заміна компонентів може стати нерозв’язною проблемою. Компоненти, які є найбільш вразливими до розривів, — це елементи «дивертора».
Перше зображення дозволяє оцінити розмір деталі в порівнянні з розмірами всієї машини. Є відео, що показує, які акробатичні вправи доведеться виконувати технікам для встановлення компонентів. Їх заміна буде ще складнішою. Дивіться:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
При цьому ризик розриву зростає зі збільшенням потужності, яку намагаються отримати з плазми.
Німецький стелларатор — це дослідницький інструмент, який ніяк не претендує бути передвісником енергетичного генератора на основі фузії. У цьому плані це цікавий проект, що відповідає раціональній логіці. Проект ITER з самого початку був фараонівським. Було дуже