Квазисимметричный стелларатор фото


Стелларатор Wendelstein 7-X

Термоядерная энергия

Большинство ядерных физиков убеждены, что за термоядерной энергией – будущее. И действительно, данная технология предполагает ряд преимуществ, в числе которых:

  • Неисчерпаемые запасы топлива, в качестве которого выступает водород.
  • Отсутствие монополий топливных ресурсов, так как добыча водорода может производиться посредством переработки морской воды, которая широко доступна большинству стран.
  • Крайне низкая вероятность аварийного взрыва во время работы термоядерного реактора. По оценкам исследователей, радиоактивные выбросы в результате аварийного взрыва не могут представлять опасности для населения.

  • При работе термоядерного реактора не вырабатываются продукты сгорания, а радиоактивные отходы имеют значительно меньший период полураспада, чем в случае с ядерными реакторами.
  • Эксплуатация термоядерного реактора не требует наличия материалов, которые могут также быть использованы для ядерного оружия.

По выше упомянутым причинам в различных уголках мира ведется разработка подобных термоядерных реакторов, а также постройка и тестирование экспериментальных установок для проведения управляемого термоядерного синтеза. Выделяют два типа конструкций таких установок:

  • Квазистационарные системы. Установки такого типа осуществляют нагрев и удержание плазмы посредством сильного магнитного поля, в условиях высокой температуры и низкого давления. К квазистационарным системам относятся такие известные установки как токамаки и стеллаторы.
  • Импульсные системы. Управляемый термоядерный синтез осуществляется в таких установках через нагрев топлива, состоящего из дейтерия и трития, при помощи лазера или пучка частиц высокой энергии. Систему называют импульсной, так как процесс ее работы состоит из ряда термоядерных микровзрывов.

Стелларатор и токамак

Название «стелларатор» происходит от латинского stella — звезда, так как его задача состоит в проведении процесса, который также протекает в звездах – термоядерного синтеза. Установка представляет собой замкнутую магнитную ловушку, которая способна удерживать сильно разогретую плазму. Ловушка такой установки имеет форму тора, снаружи и внутри которого располагается вспомогательная аппаратура.


Сравнение конструкции токамака (слева) и стелларатора (справа)

В отличие от известной конструкции – токамак, магнитные катушки стеллатора, удерживающие плазму от взаимодействия со стенками, находятся лишь снаружи. Таким образом магнитное поле создается токами, которые протекают вне плазменного объема. Устройство токамака таково, что плазма удерживается лишь при повышении мощности катушек, а так как всегда есть какой-то технический предел возможностей, удержание плазмы в токамаке длится всего несколько секунд. С ростом температуры плазмы растет и ее неустойчивость, что требует более совершенные технологии. Это и более мощные катушки делают проект столь дорогостоящим, что для его осуществления несколько стран объединились в работе над такомаком — ИТЭР.


В случае со стелларатором, механизм удержания плазмы основывается на особой геометрии конструкции, которая позволяет дрейфовать частицам плазмы по тороидальной камере, что не требует столь высоких мощностей катушек и повышает время удержания плазмы. Наиболее известным стелларатором является немецкая установка Wendelstein 7-X (W7-X). Так как конструкция, и особенно геометрия, стеллараторов постоянно менялась и совершенствовалась будем далее рассматривать принцип работы и особенности конструкции на основе последнего образца – W7-X.

Установка Wendelstein 7-X

Конструкция стелларатора

Тороидальная камера

Основной деталью стелларатора Wendelstein 7-X является тороидальная камера с внешним диаметром 11 метров. Камера состоит из 20 секций, чья особая форма соответствует скрученному кольцу. Через более чем 250 отверстий плазма позже будет наблюдаться и нагреваться. Аналогичное количество портов с хорошей теплоизоляцией проходит между холодными катушками, соединяющими эти отверстия с внешней стенкой криостата.


Тороидальная камера W7-X изнутри

Катушки

Камера окружена венком из 50 сверхпроводящих ниобиево-титановых магнитных катушек высотой около 3,5 метров. Катушки охлаждаются жидким гелием, доведенным температуры близкой к абсолютному нулю, после включения они практически не нуждаются в энергии. Их причудливые формы являются результатом оптимизационных расчетов: катушки должны создавать особенно устойчивую, теплоизолирующую магнитную клетку для плазмы.

На катушки стелларатора накладывается второй набор из 20 плоских, аналогично сверхпроводящих катушек. Этот второй набор катушек нужен для изменения конфигурации магнитного поля. Массивная кольцевая опорная конструкция удерживает катушки в точном положении, несмотря на высокие магнитные силы.

Конструкция стелларатора Wendelstein 7-X


Геометрия установки

До начала XXI-го века конфигурации магнитного поля, образовываемого в камерах стеллараторов, были схожи. Наиболее известной установкой такого типа являлся советский Торсатрон. Время удержания плазмы в таком устройстве на практике оказалось значительно ниже, нежели по теоретическим оценкам. Однако, благодаря возникновению компьютерного моделирования ученым удалось вычислить более практичную геометрию стелларатора, которая и использовалась при постройке Wendelstein 7-X.

Топология стелларатора Wendelstein 7-X. Планарные (плоские) катушки обмотки обозначены коричневым цветом, непланарные катушки — серым. Четыре из пяти внешних катушек фильтра показаны жёлтым цветом, пятая должна быть сверху

Криостат

Вся камера с катушками окружена теплоизолирующей наружной оболочкой диаметром 16 метров, которая называется «криостат». Специальная холодильная установка в 5000 Вт обеспечивает криостат гелием, чтобы охладить магниты и их опорную конструкцию. Таким образом, установка обеспечивает 425 тонн материала, доведенного до температуры сверхпроводимости – 4 К или -269.15 °C.


Различные слои конструкции стелларатора

Как работает стелларатор?

3 февраля 2016 года, после десяти лет строительных работ и более миллиона часов сборки началась экспериментальная операция на Wendelstein 7-X, тогда была получена первая гелиевая плазма при помощи этого стелларатора.

По нажатию кнопки федерального канцлера Ангелы Меркель система подала около миллиграмма газообразного вещества в камеру, а вернее – изотопы водорода – дейтерия и трития.

Реакция дейтерия с тритием, в результате чего возникает гелий-4 и нейтрон с высвобождением энергии

Предварительно из тороидальной камеры был выкачан воздух. Последующий нагрев вещества производился тремя методами:


  • Основной нагревательный инструмент в W7-X — Микроволновая печь – ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating), которая состоит из десятка гиротронов – мощных источников микроволнового излучения. Это излучение направляется на вещество и нагревает его.
  • Лазер нейтральных частиц NBI (Neutral Beam Injection Heating). Этот инструмент запускает в камеру высокоэнергетические нейтральные частицы, которые бомбардируют топливо и тем самым передают ему свою энергию, нагревая топливо
  • Ионная циклотронная резонансная печь ICRH (Ion Cyclotron Resonance Heating). В зависимости от особенностей геометрии и условий запуска, электромагнитное излучение определенной частоты (около нескольких десятков МГц — диапазон «ионно-циклотронного движения») может поглощаться плазмой, нагревая ее.

Таким образом, в результате нагрева вещества до температуры более миллиона градусов Цельсия возникла термоядерная реакция. В процессе реакции атомы дейтерия и трития сталкивались с такой силой, что производился гелий-4 и свободные нейтроны с сильным выделением энергии. При этом все вещество дрейфует по тороидальной камере и удерживается в ней, не соприкасаясь со стенами, при помощи магнитов. Далее сформированная плазма наблюдается при помощи ряда других инструментов.


Фото первой водородной плазмы W7-X

Наблюдение плазмы

Наблюдение разогретого вещества будет производиться несколькими методами:

  • При помощи интерферометров, которые будут измерять средние плотности электронов в установке.
  • Ленгмюровские зонды – позволят измерить плотность электронов и температуру в крайних слоях плазменного кольца. Такой зонд представляет собой электрический проводник, один конец которого располагается в плазме и взаимодействует с заряженными частицами. Преимущество зонда – контактный метод, позволяющий определить параметры плазмы локально. Однако, недостаток – возмущение плазмы, по этой причине их используют лишь для измерения внешних слоев плазмы.
  • Электронная циклотронная эмиссионная диагностика. Понимание этого метода требует специальных знаний, потому, излагая грубо, данная диагностика представляет собой измерение излучения электронов, движущихся циклично по камере.
  • Видео и инфракрасные камеры – измеряют параметры крайних слоев плазмы и нагрев компонентов.

Однако измерение параметров поверхности потока вступило в игру до производства первой плазмы. В дальнейшем в эксперимент будут внедрять новые средства измерения параметров плазмы, в числе которых различные спектрометры, болометры, рефлектометры и прочие.

Стелларатор Wendelstein 7-X

Итоги работы W7-X и дальнейшая перспектива

Первая водородная плазма, полученная в W7-X в 2016-м году, существовала на протяжении четверти секунды и достигала температуры в 80 миллионов градусов. Последующая оптимизация работы установки и ее конструкции должна позволить ученым к 2020-му году удерживать плазму в течение 30-ти минут и исследовать посредством нагрева мощностью 10 мегаватт. Подобный эксперимент позволить оценить возможность, а также рентабельность выработки энергии посредством управляемой термоядерной реакции в стелараторах.


Полная версия: http://spacegid.com/stellarator.html

Источник: zen.yandex.ru

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы.Его силовые линии подвергаются т. н. вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей В игре стелларатор позваляет получать новый элемент(ы) путём разгона частиц плутония в высокотемпературной плазме.

    1) Создаём железный контур для удержания колец из сверхпроводов.
    "Прошу прощения, в процессе постройки немного видоизменил железное кольцо."
    2)Ставим лёд."С вашего позволения стекло т.к со льдом на билде проблема, он исчезает Квазисимметричный стелларатор фото "
    3)Заливаем во внутрь плазму. Закрываем и создаём там вакуум (:На сверхпровода в данной установке требуется больше льда, нежеле чем в БАКе. Чтобы избежать перегрева закрываем кольца со всех сторон.
    4)Далее как мы привыкли. Источник частиц(Антизалив) Терминал(Излучатель) Уран(золото) Генераторы.
    5)Ну и еще один железный контур для удержания колец и равномерной подачи тока на них.
    Включаем установку.(Плазма меняет свой цвет на желтый и показывает нам что нагрелась)
    В источник частиц помещается плутоний. Один цикл работы-один плутоний.
    Плутоний выходит из источника частиц и начинает разгоняться внутри стелларатора аналогично частице в БАКе.(Выглядит это как будто плутоний помещен в проектор, при этом он плавает по плазме внутри и меняет цвета, разгоняясь всё быстрее и быстрее.
    Достигнув нужной скорости и температуры он сталкивается с ураном и в заисимости от нужного нагрева(Возможно цвет плутония будет показывать его температуру) и скорости синтезируется или не синтезируется новый элемент(Бор)Ну тут всё просто. У нас синтезируется руда. "Грубо говоря текстурка"По определению Бора крепче только алмаз. Ну а если их соединить получится нечто сильнее алмазов. Тут уже можно и броню скрафтить и мечь новый и кирку по свойствам лучше чем алмазная. Например бор устойчив к высоким температурам. Что даёт возможность новой броне выдерживать температуру лавы и плавать персанажу в ней без потери жизней.
    Ребят, я всё понимаю, идея не плохая…но воплатить её в игру будет очень сложно. Тут скриптовать кучу всего, так что это сего лишь предложение) Не судим строго…

    Редактировалось 21 раз(а), последний 2015-08-26 15:56:37

    Источник: forum.minecraft-galaxy.ru

    Первая демонстрация работы принципа квазисимметрии в магнитной удерживающей системе… Непонятно? За зубодробительными выкладками, описывающими поля сложной формы и поведение капризной плазмы, стоит устройство на лицо ужасное — доброе внутри. Доброе, поскольку обещает (стучим по дереву) управляемый синтез без проблем.

    Перекрученный несколько раз «пончик», с такими же закрученными и изогнутыми магнитными катушками, с инструментами и датчиками, торчащими под самыми странными углами… Что и говорить, неказистое сооружение. Но, возможно, перед нами — будущее энергетики.

    Необычное устройство, совмещающее в себе достоинства стеллараторов и токамаков, но без их недостатков, построили Дэвид Андерсон (David Anderson) и его коллеги из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison). На испытаниях аппарат, потенциально способный стать термоядерным реактором, показал любопытные сочетания параметров, о чём его создатели и поведали в статье в журнале Physical Review Letters.

    Новый аппарат называется «Геликоидный симметричный эксперимент» (Helically Symmetric eXperiment — HSX). Его проектирование Андерсон сотоварищи начали 17 лет назад. Теперь эта машина заработала, и её создатели полагают, что HSX — самый совершенный и перспективный стелларатор в мире.

    Тут необходимо сделать отступление. Для управляемого синтеза гелия из водорода необходимо удерживать очень горячую плазму в магнитных полях. Тут существует два главных подхода: учёные создают ловушки — токамаки и стеллараторы.

    Первые обладают камерой в виде тора с простым овальным сечением и ровной круглой формой в плане. Токамаки оснащаются сравнительно простыми (по форме) плоскими магнитами и отличаются более-менее низкой потерей энергии плазменного жгута, что, потенциально, предопределяет и низкий расход энергии на поддержание плазмы.

    Стеллараторы, в первом приближении, это тоже «бублики». Но форма их очень сложна: и сечение их имеет непростую форму, и сам «бублик» несколько раз перекручен и изогнут. Магниты, создающие удерживающее поле, здесь весьма сложны по геометрии. Причём физикам известно несколько вариантов формы стелларатора, к которым Андерсон добавил ещё один. Логичный вопрос — зачем?

    Дело в том, что у токамаков есть проблема со стабильностью плазмы, которая всё норовит дрейфовать к стенкам камеры. У стеллараторов проблем с этим нет.

    Но, словно взамен, у стеллаторов есть другой недостаток — здесь велики потери энергии плазмы. Из-за этого таким машинам трудно достичь необходимых температур и времени удержания, достаточных для запуска термоядерной реакции.

    HSX — первый в мире стелларатор с так называемым квазисимметричным магнитным полем. Форму его (и поля, и стелларатора, конечно же) учёные подбирали много лет. Но теперь машина работает и показывает очень обнадёживающие результаты.

    Авторы этого небольшого чуда сообщают, что, сохранив прекрасную устойчивость плазмы, свойственную стеллараторам вообще, новый аппарат обладает значительно меньшей потерей энергии при большей электронной температуре, в сравнении со стеллараторами прежних схем. А ведь возможности конструкции не исчерпаны.

    Сейчас создатели устройства намерены ещё поработать над проектом и поднять параметры плазмы до новых высот.

    Андерсон полагает, что идеи, опробованные в HSX, вполне могут лечь в основу промышленных энергетических термоядерных реакторов. И пусть сторонники токамаков кусают локти.

    Токамаки, впрочем, без боя не сдадутся. Мы уже рассказывали, как китайский токамак показал превышение энергетического выхода над затратами, а американцы нашли оригинальный способ стабилизации плазмы в таких устройствах. Да и самый крупный проект такого рода — International Thermonuclear Experimental Reactor — всё же токамак. Оправдан был такой выбор или нет – покажет время.

    Впрочем, всегда можно обратиться к другим вариантам управляемого синтеза. Можно вспомнить, к примеру, проект энергетического реактора синтеза при помощи тяжёлых ионов или воспроизведённый неоднократно, но всё равно скандальный и спорный соносинтез.

    Что-нибудь однажды заработает на всю катушку.

    • управляемый термоядерный синтез
    • энергетика

    Источник: www.membrana.ru

    Квазисимметричный стелларатор фото

    Wendelstein 7-X — крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор, который осуществляет управляемый термоядерный синтез. Экспериментальная установка причудливой формы построена в Институте Макса Планка по физике плазмы в Грайсвальде для проверки использования такого типа устройств в качестве термоядерной энергостанции. По некоторым прогнозам, к 2100 году потребление энергии на Земле увеличится примерно в 6 раз. Отдельные специалисты считают, что только термоядерная энергетика способна удовлетворить растущие потребности человечества в энергии.

    1 грамм водородного топлива (дейтерий и тритий) в такой установке производит 90 000 кВт⋅ ч энергии, что эквивалентно сжиганию 11 тонн угля.

    По мнению экономистов и футурологов, человечеству крайне необходим надёжный и мощный источник энергии. Запасы углеводородов в мире ограничены. Если энергопотребление вырастет в шесть раз к 2100 году, то энергосистема нуждается в реформировании и реструктуризации, и чем быстрее — тем лучше. Термоядерная энергетика представляется хорошим вариантом решения проблемы.

    Атомные ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), которые удерживаются вместе сильным взаимодействием. Если добавлять нуклоны в лёгкие ядра или удалять нуклоны из тяжёлых атомов, то разница в энергии связи будет выделяться. Энергия движения частиц переходит в тепловое движение атомов. Таким образом ядерная энергия проявляется в виде нагрева. Изменение состава ядра называется ядерной реакцией. Ядерная реакция с уменьшением количества нуклонов в ядре называется ядерным распадом или делением ядра. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Ядерный синтез

    Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В синтезе из лёгких ядер синтезируются тяжёлые. В отличие от цепной ядерной реакции, ядерный синтез носит управляемый характер.

    Вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине 20 века, тогда же появились концепции первых реакторов для управляемого термоядерного синтеза, в том числе токамаков и стеллараторов.

    До последнего времени учёным не удавалось преодолеть технологические проблемы для доказательства, что управляемый термоядерный синтез действительно можно использовать на практике и такие энергостанции будут рентабельными. Доказать этот факт должны экспериментальные реакторы ITER и Wendelstein 7-X.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Wendelstein 7-X

    В термоядерном реакторе топливо помещается внутрь магнитного поля и разогревается до температуры около 100 миллионов градусов по Цельсию, при которой проходит стабильная управляемая реакция ядерного синтеза.

    Стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Название происходит от лат. stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд. Изобретён американским астрофизиком Лайманом Спитцером в 1958 году. Первый образец построен под руководством Спитцера в 1959 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн», который в 1961 году после рассекречивания переименовали в лабораторию физики плазмы Принстонского университета.

    Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.

    Стеллараторы были популярны в 50-х и 60-х годах, но затем внимание научного сообщества переключилось на токамаки, которые показывали более обнадёживающие результаты. Всё изменилось в 21 веке. В связи с мощным развитием компьютерных технологий и компьютерных графических программ была оптимизирована магнитная система стелларатора. В результате появилась совершенно новая конфигурация вращательного преобразования не с двумя обмотками, как во всех предыдущих конструкциях стелларатора, а всего с одной обмоткой. Правда, это обмотка очень хитрой формы.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Топология стелларатора Wendelstein 7-X в программе компьютерного моделирования с линиями магнитного поля. Планарные (плоские) катушки обмотки обозначены коричневым цветом, непланарные катушки — серым. Некоторые катушки отсутствуют на рендере, чтобы показать строение вложенных структур стелларатора (слева) и сечений Пуанкаре для этих структур (справа). Четыре из пяти внешних катушек фильтра показаны жёлтым цветом, пятая должна быть сверху. Источник: научная работа "Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1:100,000", опубликована 30 ноября 2016 года, журнал Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms13493

    Зачем стелларатору такая причудливая форма?

    Теорема о причёсывании ежа утверждает, что на сфере невозможно выбрать касательное направление в каждой точке, которое определено во всех точках сферы и непрерывно зависит от точки. Неформально говоря, невозможно причесать свернувшегося клубком ежа так, чтобы у него не торчала ни одна иголка — отсюда и упоминание ежа в названии теоремы. Теорема является следствием из теоремы о неподвижной точке, доказанной в 1912 году Брауэром.

    Из теоремы о причёсывании ежа следует, среди прочего, что на поверхности планеты всегда есть точка, в которой скорость ветра равна нулю.

    Зная о теореме причёсывания ежа, немецкие инженеры спроектировали специфическую форму стелларатора, в которой векторы магнитной индукции «причёсаны» таким образом, чтобы ядерный синтез (образование гелия из водорода) продолжалось по всему замкнутому контуру в центре камеры. Достаточно включить машину — и начинается непрерывный процесс с выделением энергии.

    Квазисимметричный стелларатор фото

    Форма стелларатора выводится именно из математических уравнений теоремы о причёсывании ежа.

    Концепция стелларатора Wendelstein 7-X

    Форма стелларатора была смоделирована на компьютере, все векторы просчитаны и выверены. Оставался только вопрос: смогут ли инженеры воплотить теорию в жизнь — и на самом деле вылить из металла стелларатор такой необычной формы. Сразу стало ясно, что проект обойдётся очень дорого (по итогу строительство самого стелларатора обошлось в 370 млн евро, а вместе со зданием, зарплатами и другими расходами — 1,08 млрд евро; 80% финансирования взяла на себя Германия, 20% — Евросоюз). Но ставки высоки: источник энергии от термоядерного синтеза сулит революцию в мировой энергетике. Поэтому инженеры приступили к работе.

    Сборку стелларатора вели с апреля 2005 года по апрель 2014 года. За девять лет строительства на объект ушло 1,1 миллиона человеко-часов работы. Затем началась техническая подготовка к эксперименту. Проверялась каждая техническая система: вакуумные сосуды, система охлаждения, сверхпроводящие катушки и их магнитное поле, система управления, а также нагревательные приборы и измерительные инструменты.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Сборка стелларатора Wendelstein 7-X, ноябрь 2011 года. Фото: IPP, Wolfgang Filser

    Обмотка стелларатора Wendelstein 7-X состоит из 50 непланарных и 20 планарных сверхпроводящих магнитных катушек. Они герерируют магнитное поле, в котором разогревается водородная плазма до 100 млн градусов по Цельсию. В катушках используются проводники из сплава ниобия и титана. Этот материал переходит в сверхпроводящее состояние при понижении температуры ниже 9,2°К. Охлаждение магнитов стандартное — жидким гелием при температуре −270°C. В связи с необходимостью непрерывного охлаждения катушки установлены внутри криостата, имеющего внутреннюю и внешнюю оболочки, изолированные друг от друга вакуумом. Для изучения и нагрева плазмы используются 254 отверстия в оболочке.

    Технически стелларатор Wendelstein 7-X состоит из пяти практически идентичных модулей. В каждом из них — оболочка для плазмы, термоизоляция, 10 сверхпроводящих непланарных катушек, 4 соединённых планарных катушки, система трубок для жидкого гелия, сегмент для поддержки центрального кольца и внешняя оболочка.

    Квазисимметричный стелларатор фото

    Нагрев плазмы происходит тремя методами: СВЧ-подогрев с мощностью генераторов 10 МВт, подогрев радиоизлучением 4 МВт и подогрев пучком нейтральных частиц 20 МВт.

    Когда все пять модулей установили на место в основании стелларатора, начались работы по их сварке, соединению систем для подогрева и мониторинга плазмы.

    Квазисимметричный стелларатор фото

    Для строительства стелларатора были привлечены компании со всей Европы. Одним из основных подрядчиков была компания MAN Diesel & Turbo, которая занималась в том числе изготовлением стальных сегментов плазменной камеры. В целом виде она имеет внешний диаметр 12,9 м и высоту 2,4 м. Им пришлось решать множество технических проблем. Например, стальные плазменные камеры имеют причудливую форму и должны быть вылиты с допуском +/−2 мм. Каждая камера состоит из 200 колец, а каждое кольцо — из нескольких 15-сантиметровых стальных полосок, искривлённых специальным образом в соответствии со сложной геометрией, рассчитанной в программе компьютерного моделирования в соответствии с формулами теоремы о причёсывании ежа. Модули изготавливали на заводе MAN Diesel & Turbo в Дюссельдорфе.

    Квазисимметричный стелларатор фото

    Такая же точность и специфические научные требования предъявлялись к охлаждающим контурам для катушек.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Сборка термоизоляции внешней оболочки

    Организаторы считают, что участие в проекте дало каждой компании неоценимый технический опыт и само по себе было престижным. Например, специалистам компании MAN Diesel & Turbo пришлось осваивать специфические программы 3D-проектирования и электронные лазерные инструменты для оценки геометрии. С тех пор эти инструменты вошли в постоянный производственный процесс компании.

    Систему подогрева плазмы изготавливали компании Thales Electron Devices (Франция), Element Six (Великобритания), Diamond Materials (Германия) и Reuter Technologie (Германия).

    Изготовлением ключевых устройств для разогрева плазмы — гиротронов — занималась компания Thales Electron Devices в тесном сотрудничестве с немецкими физиками.

    Гиротрон — электровакуумный СВЧ-генератор, представляющий собой разновидность мазера на циклотронном резонансе. Источником СВЧ-излучения является электронный пучок, вращающийся в сильном магнитном поле. Излучение генерируется на частоте, равной циклотронной, в резонаторе с критической частотой, близкой к генерируемой. Гиротрон изобрели в СССР в НИРФИ в г. Горьком (ныне — Нижний Новгород).

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Слева — Один из гиротронов Wendelstein 7-X мощностью 1 МВт для непрерывного микроволнового разогрева плазмы, по центру и справа — окно между гиротроном и внешней оболочкой стелларатора, сделанное из искусственного алмаза, детали изготавливали на заводах Diamond Materials во Фрайбурге и Element Six в Великобритании

    Плазма внутри реактора удерживается в магнитном поле, но всё равно нельзя избежать её контакта с внутренней оболочкой. Хотя при этом температура плазмы падает до всего лишь 100 000°С, но всё равно внутреннюю сторону стальной камеры требуется покрыть термостойким материалом, который одновременно отводит тепло. Изготовлением таких диверторов занималась австрийская компания Plansee. Инженеры создали конструкционные элементы из новых материалов: блоков углерода, усиленного углеволокном (углеграфитовый композит), и металла с водяным охлаждением. Всего для стелларатора потребовалось изготовить 890 элементов дивертора из 18 000 блоков. Новый материал уже запатентован изобретателями под названием EXTREMAT.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Теплообменный дивертор Plansee поглощает 10 МВт на квадратный метр в непрерывном режиме

    Сверхпроводящие катушки из сплава ниобия и титана сложной формы для стелларатора изготовила фирма Babcock Noell (Германия).

    Квазисимметричный стелларатор фото

    За десять лет строительства удалось решить все технические проблемы и ввести в строй мегаконструкцию стелларатора.

    Создание стелларатора в Институте Макса Планка по физике плазмы

    10 декабря 2015 года состоялось историческое событие: в Институте Макса Планка по физике плазмы (IPP) в Грайсвальде впервые был запущен экспериментальный стелларатор Wendelstein 7-X.

    Wendelstein 7-X: первая плазма

    Операторы стелларатора подали команду на генерацию магнитного поля и запустили компьютерную систему управления экспериментом. Они подали около одного миллиграмма гелия в плазменный отсек, включили СВЧ-нагрев для короткого 1,3-мегаваттного импульса — и первую плазму зарегистрировали установленные камеры и измерительные приборы. Первая плазма сохраняла стабильное состояние 0,1 секунды и достигла температуры около миллиона градусов по Цельсию.

    Руководитель проекта профессор Томас Клингер (Thomas Klinger) сказал, что по плану было начать именно с гелия, поскольку у него легче получить состояние плазмы. В 2016 году начались эксперименты с водородной плазмой.

    Разогрев плазмы до миллиона градусов и больше — это хорошо, но оставался открытым главный вопрос, действительно ли учёным удалось собрать стелларатор правильной формы, в соответствии с теоремой о причёсывании ежа. Соответствует ли результат математической модели? Это самый важный вопрос, ведь никто и никогда раньше не собирал термоядерный реактор такой формы. Действительно ли там будет происходить термоядерный синтез с заданными параметрами?

    30 ноября 2016 года мы получили ответ на этот вопрос. В этот день в журнале Nature Communications опубликована научная статья "Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1:100,000" (в открытом доступе). В ней приводятся результаты измерений магнитного поля внутри тороидальной камеры, которые подтверждают фактическую работоспособность стелларатора Wendelstein 7-X в соответствии с расчётными параметрами. Измерения произведены до разогрева плазмы, но они показывают, что инженерам на стройке действительно удалось собрать мегаконструкцию, которая полностью соответствует расчётным параметрам. Магнитная топология машины выполнена немецкими инженерами с требуемой точностью.

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Визуализация магнитного поля в стеллараторе с помощью нейтрального газа (смесь водяного пара и азота). Три ярких пятна — калибраторы для камеры

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Сечение Пуанкаре замкнутого магнитного контура. Электронный пучок прошёл по нему более 40 раз, то есть более 1 км

    Квазисимметричный стелларатор фото
    Незначительный сдвиг магнитного поля из-за деформации сверхпроводящих магнитов

    Итак, крупнейший в мире стелларатор действительно работает.

    Источник: habr.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.