Стелларатор wendelstein 7 x


Стелларатор Wendelstein 7-X доказал свою работоспособность в серии экспериментов, проведенных в 2016-2017 годах — дестабилизирующий плазму бустрэп-ток удалось уменьшить почти в четыре раза, а время удержания плазмы получилось довести до 160 миллисекунд. На данный момент это лучший результат среди стеллараторов. Статья немецких физиков, подводящая итоги серии экспериментов, опубликована в Nature Physics, кратко о работе ученых рассказывается в редакционной колонке News & Views.

Физики обещают построить термоядерный реактор уже более шестидесяти лет (с тех пор, как было испытано термоядерное оружие), однако создать действующие коммерческие установки им до сих пор так и не удалось. Дело в том, что для осуществления долгосрочного термоядерного синтеза в реакторе необходимо достаточно долго удерживать плазму, разогретую до огромной температуры порядка десяти миллионов градусов.


к правило, физики используют для этого мощные сверхпроводящие магниты, создающие сильные магнитные поля и не дающие плазме коснуться стенок. К сожалению, намагниченная плазма очень нестабильна — стоит небольшому кусочку плазмы отклониться от оптимальной траектории, как он выбрасывается на стенку и повреждает ее. Поскольку частицы в плазме постоянно сталкиваются друг с другом, рано или поздно такие выбросы происходят. Поэтому время удержания существующих термоядерных реакторов составляет всего несколько минут (разумеется, до безвозвратного прожигания стенки в реальных экспериментах дело стараются не доводить), а генерируемая в результате синтеза мощность превысила мощность, необходимую для поддержания реакции, всего несколько лет назад.

Наиболее распространенным типом термоядерных реакторов являются токамаки — тороидальные камеры с магнитными катушками, все современные рекорды в области термоядерного синтеза относятся именно к этому типу установок. В токамаке плазменный шнур удерживается с помощью тороидального поля внешних магнитных катушек и полоидального поля, создаваемого протекающим по шнуру электрическим током. Грубо говоря, магнитное поле токамака выглядит как бублик, на который намотаны линии напряженности магнитного поля. К сожалению, для работы этого типа термоядерного реактора электрический ток в плазме должен поддерживаться постоянно, что довольно сложно технически реализовать.


Тем не менее, токамаки — это не единственная возможная схема термоядерного реактора. Наряду с ними ученые разрабатывают стеллараторы, в которых поддерживать электрический ток внутри плазмы не нужно (он возникает сам собой), и можно обойтись только внешними магнитными полями. Как и у токамака, в основе стелларатора лежит тор, однако магнитные поля внешних катушек ведут себя гораздо хитрее, образуя систему замкнутых, вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Грубо говоря, в стеллараторе плазма образует «мятый бублик» вместо «ровного бублика» токамака (чтобы понять, о чем идет речь, лучше один раз посмотреть на рисунок). Это позволяет предотвратить «расплескивание» плазмы и теоретически должно повысить время ее удержания. Правда, рассчитать такую конфигурацию магнитного поля оказалось невероятно сложно — хотя впервые идея стелларатора была предложена еще в 1951 году, существенного прогресса в его разработке удалось достичь только к началу XXI века, когда для вычислений удалось привлечь суперкомпьютеры.

Wendelstein 7-X — это один из первых стеллараторов, наиболее близкий к управляемому термоядерному синтезу. Этот реактор состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек высотой около 3,5 метров и общим весом около 425 тонн. Катушки способны создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой более 60 миллионов градусов Кельвина, а суммарный объем плазмы может достигать 30 кубических метров.


nbsp;новой работе ученые приводят результаты работы стелларатора в 2016-2017 годах, которые подтвердили, что в плазменном шнуре внутри установки возникает сравнительно слабый бутстрэп-ток (bootstrap current). В отличие от токамаков, в которых этот ток стремятся как можно сильнее увеличить, в стеллараторах от него стараются избавиться, поскольку он приводит к образованию угловых магнитных островов (edge magnetic islands) и дестабилизирует плазму. Новые измерения на Wendelstein 7-X показали, что величину этого тока удалось ослабить примерно в четыре раза по сравнению с токамаками; кроме того, током можно управлять, изменяя топологию магнитного поля. Это позволило ученым довести время удержания плазмы до 160 миллисекунд, что на данный момент является лучшим результатом среди стеллараторов.

Стоит отметить, что Wendelstein 7-X предназначен для «обкатки» работоспособности новой схемы, для коммерческого термоядерного синтеза он не предназначен. С токамаками он тоже пока соревноваться не может. Тем не менее, как показывает работа ученых, рассчитанная конфигурация магнитных полей действительно приводит к возникновению в плазме бутстрэп-тока и позволяет удерживать плазму в течение сравнительно длинного промежутка времени.


nbsp;будущем эти показатели планируется увеличить на несколько порядков, а в силу конструктивных особенностей управлять стеллараторами будет гораздо удобнее, чем токамаками. В частности, по оптимистичным оценкам Джозефа Талмаджа (Joseph Talmadge), автора короткой заметки в Nature, посвященной Wendelstein 7-X, следующее поколение стеллараторов сможет достигнуть времени удержания порядка 30 минут, если разрабатываемый дивертор активного охлаждения будет корректно работать. Новая статья, подтвердившая, что бутстрэп-током, протекающим в плазме, можно сравнительно легко управлять, позволяет надеяться на такой результат.

Ранее мы уже писали о ключевых событиях в постройке стелларатора Wendelstein 7-X. Так, в декабре 2015 года на установке получили первую гелиевую плазму, нагретую до температуры около одного миллиона градусов, и удержали ее в течение 0,1 секунды. А в декабре 2016 года стелларатор прошел испытания магнитного поля, в результате которых ученые убедились, что создаваемая им магнитная поверхность отклоняется от спроектированной не более чем на одну стотысячную.

Дмитрий Трунин

Источник: nplus1.ru

Двумя ведущими концепциями для удержания высокотемпературной термоядерной плазмы являются токамак и стелларатор. Токамаки вращательно симметричны и используют большой плазменный ток для достижения удержания, тогда как стеллараторы не являются осе-симметричными и используют трехмерные катушки магнитного поля для скручивания поля и ограничения плазмы.


В результате магнитное поле стелларатора должно быть тщательно спроектировано, чтобы минимизировать коллизионное перемещение, возникающее из-за плохо ограниченных орбит частиц, что в противном случае вызвало бы чрезмерные потери мощности при высоких температурах плазмы.

В последнем эксперименте стелларатора Wendelstein 7-X были достигнуто более высокие температуры и плотности плазмы, более длинные импульсы и установлен мировой рекорд стелларатора для продукта слияния. Кроме того, было получено первое подтверждение концепции оптимизации, на которой основывается Wendelstein 7-X.

Wendelstein 7-X в Институте плазменной физики им. Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде, является крупнейшем в мире аппаратом слияния стеллараторного типа, и исследует пригодность этой концепции для применения на электростанциях.

В отличие от первой фазы эксперимента в 2015/16 году, плазменный сосуд Wendelstein 7-X был оснащен новой внутренней оболочкой с сентября прошлого года. Стены теперь покрыты графитовой плиткой, что обеспечивает более высокие температуры и более длительные плазменные разряды.

С так называемым дивертором также можно контролировать чистоту и плотность плазмы: диверторные плитки следуют за скрученным контуром края плазмы в виде десяти широких полос вдоль стенки плазменного сосуда. Таким образом, они защищают, в частности, стенки, на которые ударяются частицы, выходящие из края плазменного кольца. Наряду с примесями, падающие частицы здесь нейтрализуются и откачиваются.


«Первый опыт работы с новыми элементами стены очень положительный», – говорит профессор д-р Томас Санн Педерсен. В то время как к концу первой кампании длительность импульса достигала шести секунд, то теперь он продолжается до 26 секунд. Энергия нагрева до 75 мегаджоулей может поступать в плазму, что в 18 раз больше, чем на первой фазе экперимента без дивертора. Мощность нагрева также может быть увеличена, что является предпосылкой для высокой плотности плазмы.

Таким образом было достигнуто рекордное значение для продукта слияния. Этот продукт температуры ионов, плотности плазмы и времени удержания энергии указывает, насколько близко приближается к значениям реактора, необходимым для воспламенения плазмы.

При температуре ионов около 40 миллионов градусов и плотности 0,8×1020 частиц на кубический метр Wendelstein 7-X достиг продукта слияния, обеспечивающего 6×1026 частиц на кубический метр, мировой рекорд стелларатора.

«Это отличный показатель для устройства такого размера, достигнутого, кроме того, в реальных условиях, т. е. при высокой температуре ионов плазмы», – говорит профессор Сунн Педерсен. Время удержания энергии является одним из лучших, когда-либо достигнутых в стеллараторах, как в абсолютных цифрах (τE> 100 мс), так и относительно шкалы удержания стелларатора. «Это внушает нам оптимизм для нашей дальнейшей работы» – говорят ученые.


Целью исследований в области термоядерного синтеза является разработка электростанции, благоприятной для климата и окружающей среды. Подобно Солнцу, она должна получать энергию от слияния атомных ядер. Поскольку синтез требует температур, превышающих 100 миллионов градусов, топливо, а именно: водородная плазма низкой плотности, не должна соприкасаться с стенками холодного сосуда. Удерживаемая магнитными полями, она подвешена внутри вакуумной камеры практически без контакта.

Магнитная “клетка” Wendelstein 7-X производится кольцом из 50 сверхпроводящих магнитных катушек высотой около 3,5 метров. Их особые формы являются результатом сложных расчетов по оптимизации. Хотя Wendelstein 7-X не будет производить энергию, ученые надеются доказать, что стеллараторы подходят для применения на электростанциях.

Цель исследования – устройство должно продемонстрировать существенное преимущество стеллараторов, а именно: их способность работать в непрерывном режиме.

Источник: ab-news.ru

Экология познания.Наука и техника:Wendelstein 7-X-реактор состоящий из 70 сверхпроводящих катушек, способных удерживать плазму температурой в сто миллионов градусов Цельсия.


Как известно излучение Солнца – главный источник энергии на Земле. Основой этой энергии является термоядерный синтез. Ученые мужи на протяжении последних 60 лет пытаются создать управляемый термоядерный синтез, это могло бы послужить развитию нового вида энергетики – термоядерной.

После девяти лет строительства в немецком городе Грайфсвальде торжественно открыт экспериментальный термоядерный реактор – стелларатор Wendelstein 7-X. Установка содержит пять больших и практически идентичных модулей, которые были предварительно установлены, а затем собраны по кругу. На строительство реактора было потрачено около одного миллиарда евро.

Реактор, общей массой около 725 тонн, состоит из 70 сверхпроводящих катушек, способных удерживать плазму температурой в сто миллионов градусов Цельсия. Первые эксперимент по слиянию ядер, аналогичный процессу на Солнце, физики планируют провести уже в 2015 году. Ученые рассчитывают добиться удержания высокотемпературной плазмы в течение 30 минут. В настоящее время рекорд удержания плазмы для токамаков – 30 секунд, он был поставлен в 2013 году в Китае.

Немецкий термоядерный реактор является прямым конкурентом международному проекту ИТЭР, в котором участвует и Россия. Токамак ИТЭР строится на юге Франции в 60 километрах от Марселя, и будет самым крупным термоядерным реактором в мире.


На сегодняшний день в мире существуют два перспективных проекта термоядерных реакторов: токамак и стелларатор. В обеих установках плазма удерживается магнитным полем, однако в токамаке плазма имеет форму тороидального шнура, по которому пропускается электрический ток, тогда как в стеллалаторе магнитное поле наводится внешними катушками. В термоядерных реакторах происходят реакции синтеза тяжелых элементов из легких (например, гелия из изотопов водорода дейтерия и трития), в отличие от обычных реакторов, где инициируются процессы распада тяжелых ядер на более легкие. Энергия синтеза рассматривается многими исследователями в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе.

10 декабря наступил тот день. 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.

Wendelstein 7-X — крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор


Руководитель проекта профессор Томас Клингер (Thomas Klinger) сказал, что по плану было начать именно с гелия, поскольку у него легче получить состояние плазмы. Опыты с водородом начнут в следующем году.

Первая плазма сохраняла стабильное состояние 0,1 секунды и достигла температуры около миллиона градусов по Цельсию.

На следующих этапах запланировано увеличить продолжительность жизни плазмы и найти оптимальный метод СВЧ-нагрева. Эксперименты будут продолжаться непрерывно, с перерывом только на Новый год. В январе начнётся подготовка к получению первой водородной плазмы.

Wendelstein 7-X — крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор. Экспериментальная установка призвана проверить возможность использования такого типа устройств в качестве энергостанций. Стоимость его строительства составила 370 миллионов евро. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Источник: econet.ru

Магнитное поле реактора

Магнитное поле реактора

Внутри реактора

Внутри реактора

В недрах большого исследовательского комплекса, расположенного в Грифсвальде на северо-востоке Германии, находится новый реактор термоядерного синтеза, имеющий достаточно нетрадиционную и необычную конструкцию. Этот реактор, имеющий название Wendelstein 7-x fusion stellarator, проходит последние этапы испытаний, прежде чем на его магниты и другие компоненты будет подана полная мощность и будет проведена первая попытка его включения. Строительство этого реактора заняло порядка 15 лет, в течение которых ученым и инженерам удалось создать чрезвычайно эффективную магнитную систему, способную удерживать сверхвысокотемпературную плазму непрерывно в течение 30 минут. И в случае успешного запуска работы реактора он послужит испытательным стендом, позволяющим выяснить все тонкости и особенности поддержания реакции термоядерного синтеза в непрерывном цикле, что требуется для технологий производства электроэнергии.

Реактор Wendelstein 7-x stellarator был построен специалистами Института физики плазмы Макса Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP), а все его основные и критичные узлы и компоненты были рассчитаны при помощи суперкомпьютера. Wendelstein 7-x stellarator является первым полномасштабным оптимизированным стелларатор-реактором, который создает в своей камере неоднородное магнитное поле, имеющее области с завихрениями и напоминающее перекрученную несколько раз ленту Мебиуса. Такое магнитное поле создает среду, плазма в которой, согласно расчетам, будет обладать большей стабильностью, а реакция станет более управляемой за этот счет.

Изначально конструкция стелларатор-реактора была разработана в 1951 году Лайманом Спитцером (Lyman Spitzer), ученым из Принстонского университета. Однако, в то время создание реактора такого типа было невозможным из-за ограниченного количества доступных людям материалов. Поэтому реакторы типа токамак, имеющие более простую и более технологичную конструкцию, были выбраны и использованы в качестве стендов для исследований в области ядерного синтеза.

Тем не менее, попытки создания стелларатор-реакторов, таких как Wendelstein 7-AS (Advanced Stellarator), были проведены учеными и инженерами различных стран. И лишь в последнее время, благодаря появлению суперкомпьютеров, обладающих мощностью, достаточной для проведения сложнейших расчетов, стала возможна разработка технологий, позволяющих удерживать и контролировать сверхвысокотемпературную плазму в магнитном поле сложной конфигурации.

Конструкция стелларатор-реактора создает среду, в которой плазма обладает высокой стабильностью. Ключом к этому является технология, которая позволяет избежать возникновения токов внутри плазменного шнура, потоков свободных электроном и ионов, которые создают свои собственные магнитные поля, что часто приводит разрушению магнитного поля и потере плазмой температуры в токамак-реакторах. В стелларатор-реакторе используется ряд электромагнитных катушек, которые создают закрученное магнитное поле, удерживающее плазму в центре камеры реактора. За счет некоторых физических эффектов, возникающих при взаимодействии плазмы и такого магнитного поля, плазменный шнур постоянно отталкивается в сторону центра камеры, а основным эффектором этого являются магнитные поля, изменяющие свою полярность на противоположную несколько раз по всей длине плазменного шнура.

Преимущества стелларатор-реакторов по отношению к токамакам выливаются в высокую стоимость строительства таких реакторов. Кроме этого, завихрения магнитных полей, возникающих в местах "перекручивания" основного магнитного поля, являются потенциальными местами утечки, через которые множество частиц топлива могут покинуть пределы плазменного шнура и утеряны. Поэтому в конструкции реактора используется множество дополнительных катушек, поле которых "затыкает эти дыры", работа которых должна быть синхронизирована с работой катушек основных электромагнитов и которые охлаждаются жидким гелием до уровня возникновения сверхпроводимости.

В случае реактора Wendelstein 7-x stellarator используются 50 3.5-метровых секций сверхпроводящих электромагнитов, суммарный вес которых составляет 425 тонн. Это делает процесс монтажа и наладки реактора чрезвычайно сложным и кропотливым занятием. А перекачка большого количества жидкого гелия в количествах, необходимых для поддержания температуры обмоток близкой к абсолютному нулю, является "самым большим кошмаром для любого водопроводчика". Необходимость наличия портов для ввода топлива, вывода отработанного материала и массы точек для ввода в камеру всевозможных датчиков и контролирующих устройств, является причиной еще большего усложнения конструкции и стоимости реактора.

Несмотря на все вышесказанное, специалистам удалось рассчитать и создать конструкцию стелларатор-реактора Wendelstein 7-x. Проведенные тесты уже показали правильность некоторых использованных технологий, которые будут поддерживать положение плазменного шнура с субмиллиметровой точностью. В этих тестах вместо плазмы в камеру реактора был введен луч электронов, который, удерживаемый магнитным полем, двигался вдоль осевой линии камеры реактора, а столкновения электронов этого луча со свободными электронами остаточного газа в камере создавали свечение, по которому можно было видеть все происходящее.

В настоящее время руководство института IPP ожидает получения разрешения на включение реактора от соответствующих германских контролирующих и регулирующих организаций, которое будет получено к концу этого месяца. А уже в ноябре этого года будет произведена попытка первого включения реактора Wendelstein 7-x stellarator. И в заключении следует отметить, что на строительство нового стелларатор-реактора было потрачено чуть больше миллиарда евро, а количество трудовых затрат превысило 1 миллион человеко-часов.

Источник: DailyTechInfo.

Обсудить на форуме

Источник: www.RusCable.ru

В Германии состоялась торжественная церемония открытия экспериментального термоядерного реактора типа стелларатор Wendelstein 7-X, строительство которого началось в 2005 году. Стоимость данного проекта составила более миллиарда евро.

 


Одна из основных целей проекта заключается в проверке на эффективность стеллараторов – тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Это замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы.


 

Реактор Wendelstein 7-X представляет собой 70 сверхпроводящих катушек, вес которых в общей сложности составляет более 725 тонн. Они будут создавать магнитное поле, достаточное, чтобы удержать плазму с температурой в 100 миллионов градусов Цельсия. В Институте плазменной физики им. Макса Планка, который работал над созданием Wendelstein 7-X, планируют уже в следующем году получить первую плазму.

 

Авторы данного проекта надеются на реакторе поставить новый рекорд по удержанию плазмы – 30 минут (нынешний для токамаков составляет 30 секунд). При успешных результатах эксперимента планируется построить стелларатор, на котором удастся организовать коммерчески выгодное производство электроэнергии.

 

Сегодня внимание ученых приковано больше всего к двум типам термоядерных реакторов. Это изобретенный в СССР токамак и американский стелларатор.

 


Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру.


 

По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, применение электрического тока является главной особенностью токамака. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Этим токамак, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью внешних магнитных катушек.

 

Строительство первых экспериментальных термоядерных реакторов началось еще в 1950-х годах, однако эксперты считают, что в ближайшие 50 лет вряд ли с их помощью будет возможно начать промышленное производство электроэнергии.

 

Источник: naked-science.ru


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.