Германия запустила мощнейший стелларатор, прототип термоядерного реактора

    Эту статью могут комментировать только участники сообщества.
    Вы можете вступить в сообщество одним кликом по кнопке справа.
    Микола Борисiв перепечатал из lenta.ru
    2 оценок, 2123 просмотра Обсудить (6)
    Стелларатор Wendelstein 7-X
    Стелларатор Wendelstein 7-X
     

    В Германии 10 декабря 2015 года успешно запущен термоядерный реактор Wendelstein 7-X, в котором удержание плазмы происходит по принципу стелларатора. На проект стоимостью более миллиарда евро немцы возлагают большие надежды. Как и физики, которые связывают будущее энергетики с управляемым термоядерным синтезом.

    Рост населения Земли, исчерпание природных ресурсов и загрязнение окружающей среды — все это приводит к необходимости использовать альтернативные источники энергии. Управляемый термоядерный синтез в этом случае представляется святым Граалем энергетики, поскольку топливом для него является тяжелая вода, содержащая изотоп водорода — дейтерий, и тритий.

    При использовании дейтерия, содержащегося в бутылке воды, выделится столько же энергии, сколько при сжигании бочки бензина: калорийность термоядерного топлива в миллион раз выше любого из современных неядерных источников энергии. При этом окружающей среде будет нанесен минимальный вред, а топливо для термоядерной электростанции доступно всем без исключения странам.

    В термоядерных реакторах происходят реакции синтеза тяжелых элементов из легких (образования гелия в результате слияния дейтерия и трития), в отличие от обычных (ядерных) реакторов, где инициируются процессы распада тяжелых ядер на более легкие. Сегодня в мире существуют два перспективных проекта термоядерных реакторов: токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) и стелларатор. В обеих установках плазма удерживается магнитным полем, но в токамаке она имеет форму тороидального шнура, по которому пропускается электрический ток, а в стеллараторе магнитное поле наводится внешними катушками. Последнее является главным отличием стелларатора от токамака и обуславливает сложную конфигурацию в нем магнитного поля.

    В стеллараторе магнитные поверхности, удерживающие плазму в состоянии равновесия, создаются сложной системой внешних проводников на вакуумной камере (внутри которой и находится топливо), из-за чего конечная форма плазменного шнура так далека от идеальной тороидальной формы. Между тем в токамаке удержание плазмы происходит благодаря магнитному полю от вихревого электрического поля. Это означает, что токамак может работать (без вспомогательных устройств) исключительно в импульсном режиме, тогда как стелларатор способен в течение длительного времени работать в непрерывном (стационарном) режиме.

    Токамак ASDEX
    Токамак ASDEX
     

    Конструкцию стелларатора впервые предложил в 1951 году американский физик Лайман Спитцер. Свое название реактор получил от латинского stella — звезда, поскольку внутри реактора температура сравнима с достигаемыми внутри ядра Солнца. Первоначально стелларатор считался популярным кандидатом для термоядерного реактора, однако впоследствии его потеснила концепция токамака, предложенная в 1951 (и рассекреченная в 1956 году) советскими физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.

    Термоядерный реактор из СССР был проще и дешевле стелларатора. Во многом это связано с необходимостью высокоточных расчетов конфигурации магнитных полей для стелларатора, которые для Wendelstein 7-X были произведены на суперкомпьютере, а также ограниченностью материалов для строительства установки. Споры о том, что лучше — стелларатор или токамак, — не утихают до сих пор, а выяснение того, кто в чем прав, обходится налогоплательщикам в сотни миллионов долларов.

    В Германии введен в строй именно стелларатор. Установка Wendelstein 7-X находится в немецком Институте физики плазмы Общества имени Макса Планка в городе Грайфсвальд. Реактор состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек около 3,5 метров в высоту и общим весом около 425 тонн, способных создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой 60-130 миллионов градусов Цельсия (это в несколько раз выше, чем температура в центре солнечного ядра). Большой радиус плазмы равен 5,5 метра, малый радиус — 0,53 метра. Объем плазмы может достигать 30 кубических метров, а ее плотность — три на десять в двадцатой степени частиц на кубический метр. Вся конструкция окружена криостатом (прочной теплоизолирующей оболочкой) диаметром 16 метров.

    Модель стелларатора Wendelstein 7-X, тороподобная геометрия магнитного поля и их сравнение с размерами человека
    Модель стелларатора Wendelstein 7-X, тороподобная геометрия магнитного поля и их сравнение с размерами человека
    Изображение: MPI for Plasma Physics

     

    Перечисленные параметры делают Wendelstein 7-X самым мощным стелларатором в мире. Его ближайший конкурент — LHD (Large Helical Device) — расположен в японском городе Токи. В России единственный действующий стелларатор «Л-2М» находится в Институте общей физики Российской академии наук и из-за ограниченного финансирования продолжительное время не подвергается модернизации. Кроме перечисленных, стеллараторные возможности имеются и в других странах, в частности в Австралии и на Украине.

    Зеленый свет на возведение Wendelstein 7-X правительство Германии дало в 1993 году, в следующем году в Грайфсвальде был создан филиал Института физики плазмы, куда перешли работать 50 сотрудников головного учреждения из Гархинга. В настоящее время над Wendelstein 7-X работают более 400 человек. Возведение Wendelstein 7-X было тяжелым процессом.

    География участников проекта Wendelstein 7-X (на территории Европы)
    География участников проекта Wendelstein 7-X (на территории Европы)
    Изображение: MPI for Plasma Physics

     

    Создание подобного рода установок — чрезвычайно трудная технологическая задача. Главная проблема, с которой столкнулись строители стелларатора, заключалась в нехватке сверхпроводящих магнитов, имеющих специальную геометрию и охлаждаемых гелием. К 2003 году в ходе промышленных испытаний была забракована и возвращена поставщикам примерно треть таких магнитов. В 2003 и 2007 годах проект Wendelstein 7-X был на грани закрытия. За это время его стоимость возросла по сравнению с первоначально запланированной в два раза — до 1,06 миллиарда евро. Проект Wendelstein 7-X к настоящему времени занял 1,1 миллиона человеко-часов.

    В мае 2014 года Институт физики плазмы отчитался о завершении строительства стелларатора, после чего провел необходимые пусконаладочные работы и дождался согласия национального регулятора на запуск.

    Строительство Wendelstein 7-X
    Строительство Wendelstein 7-X
     

    Свои эксперименты ученые планируют провести в три этапа. На первом этапе, начавшемся 10 декабря, физики проведут опыты с получением в реакторе гелиевой плазмы, которую нужно удерживать в равновесном состоянии 1-2 секунды. В ходе испытаний первой фазы ученые собираются проверить работу систем реактора и при возникновении неисправностей оперативно их устранять.

    Выбор для начала запуска гелия обусловлен относительной легкостью (по сравнению с водородом) его перевода в состояние плазмы. На конец января 2016 года намечены испытания с водородной плазмой. После успешного завершения второй фазы экспериментов ученые надеются удерживать на Wendelstein 7-X водородную плазму в течение десяти секунд. Конечные цели проекта, которых физики хотят достигнуть на третьем этапе, — удержать плазму в реакторе до получаса и одновременно с этим добиться значения параметра β, равного 4-5%. Это число определяет отношение давления плазмы к давлению удерживающего ее магнитного поля.

    Одни из лучших результатов в этом направлении достигнуты на LHD, где (не одновременно) удалось добиться β = 4,5% со временем удержания плазмы около часа. Немецкий Wendelstein 7-X в настоящее время не является конкурентом строящегося токамака ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор): в немецком городе Гархинге уже есть свой токамак ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment) того же Общества имени Макса Планка, который до запуска Wendelstein 7-X был крупнейшим термоядерным реактором в ФРГ (в этом же городе с 1988-го по 2002 год действовал другой стелларатор — Wendelstein 7-AS). Физики, работающие на этом токамаке, как и их зарубежные коллеги, признают приоритет ИТЭР в экспериментах с управляемым термоядерным синтезом над национальной программой, так что использование ASDEX, как и Wendelstein 7-X, сводится пока лишь к отработке перспективных технологий.

    Вакуумная камера Wendelstein 7-X с плазмой в ходе испытаний 10 декабря
    Вакуумная камера Wendelstein 7-X с плазмой в ходе испытаний 10 декабря
     

    Испытания, проведенные в первый день запуска стелларатора, признаны успешными. Физикам удалось при помощи микроволнового импульса мощностью 1,3 мегаватта нагреть один миллиграмм газообразного гелия до температуры в миллион градусов Цельсия и удержать полученную плазму в равновесии в течение 0,1 секунды. Ученые отследили характеристики магнитного поля полученной плазмы и запустили компьютерную систему контроля над магнитным полем. В их ближайшие задачи входит постепенное наращивание мощности излучения и повышение температуры плазмы.

    В отличие от токамаков, стеллараторы являются темными лошадками — с ними проводилось меньше экспериментов, а полученные в последнее время результаты обнадеживают. В том случае если установка Wendelstein 7-X оправдает возлагаемые на нее надежды, физики сделают выводы о возможности использования стеллараторов в качестве термоядерных электростанций будущего. Так или иначе, ясно одно: получение практически неисчерпаемого источника энергии требует не только взаимодействия международного сообщества ученых и государств мира и привлечения огромных финансовых средств, но и завидного терпения и уверенности в успешности проекта. Всего этого хочется пожелать немецким исследователям.

     
    <iframe src="http://www.youtube.com/embed/MJpSrqitSMQ" frameborder="0" width="425" height="350"></iframe>
     
    Новости парнеров

    Комментировать

    осталось 1185 символов
    пользователи оставили 6 комментариев , вы можете свернуть их
    Александр Кутовой # написал комментарий 14 декабря 2015, 19:18
    Замечательно, что продолжают поиски физики, но они мне напоминают поиски компьютеров 5 поколения, а так же каких-то там биокомпьютеров. До получения термояда ещё видать очень далеко и далеко, я не доживу.
    Микола Борисiв # ответил на комментарий Александр Кутовой 14 декабря 2015, 20:29
    термояд, как физический процесс в горячей плазме, давно уже реализован экспериментально. И принципиальная возможность его ни у кого уже не вызывает сомнения. Другое дело, что до создания промышленного, т.е. коммерчески выгодного реактора ещё много проблем нужно решить. Но радует то, что эти проблемы уже хорошо известны и осознаны. Т.е. известно, куда идти и что искать.
    Александр Бобылев # написал комментарий 14 декабря 2015, 23:30
    На самом деле все не так безоблачно. Управляемый термояд конечно будет достигнут, но вот использование его в энергетике не так безопасно, как сказано в начале статьи. Дело в том, что т/я реакция сопровождается выбросом большого числа нейтронов, а в результате поглощения этих тепловых нейтронов материалами установки в них происходят уже ядерные реакции в итоге которых образуются радиоактивне изотопы и преобразуется химичееский состав конструкций. Значит, во-первых, установка становится короткоживущей, и непонятно, окупит ли она себя вырабатываемой энергией, во-вторых, как и в обычных ядерных (атомных) электростанциях, необходимо решать проблему захоронения радиоактивных отходов, причем, в связи с массивностью установки их будет весьма много.
    По-моему ситуация похожа на середину 50-х г.г., когда радужные надежды испытывали по отношению к ядерной энергетике, а обернулись они могильниками радионуклидов, и, что совсем страшно, Чернобылем и Фукусимой. Теперь такие же радужные надежды испытывают по отношению к термоядерной энергетике. На самом же деле, тихонько умалчивают о куче проблем, которые она, как и ядерная, принесет с собой!
    Микола Борисiв # ответил на комментарий Александр Бобылев 15 декабря 2015, 16:29
    в D-T реакторе, который самый простой и на который сейчас сориентирована работа, именно эти нейтроны и должны быть источником энергии. Поглотители нейтронов хорошо отработаны и перевод их энергии в тепло никаких проблем вызывать не будет. Вы правы лишь в том, что материалы из которых изготовлена внутренняя часть реактора, действительно будут накапливать радиационные повреждения. Но всё равно это невозможно даже сравнивать с Чернобылем и Фукушимой, где произошёл выброс радионуклидов. В термоядерном реакторе их просто нет. А "фонящее" железо, т.е. отработавшие свой срок детали реактора, должны просто выстояться несколько лет, после чего они становятся безопасными. Напомню, кстати, что естественный фоновый уровень радиации высоко в горах примерно в сотню раз превышает средний фон на Земле. И ничего страшного для живущих в горах долгожителей не происходит :-)))
    И проблемы, кстати, никто не замалчивает. А то, что обыватели, даже интересующиеся, не в курсе, то в этом нет ничего удивительного. Даже многие спецы знают не всё, а лишь свой кусок проблемы.
    Микола Борисiв # ответил на комментарий Александр Бобылев 15 декабря 2015, 16:30
    А вообще-то давно уже прорабатываются и безнейтронные схемы термояд. реакторов. Например, D-He3 реактор, который должен иметь рабочую температуру 50-70 кэВ (для D-T реакции достаточно 15-30 кэВ). Он сложнее, но он будет давать очень малый поток нейтронов (только на паразитной реакции D-D). И электроэнергия будет производиться прямой рекуперацией кинетической энергии высокоэнергетических продуктов реакции. Проблема лишь в том, что изотопа He3 на Земле практически нет. Но его полно на Луне, в так называемой "солнечной пыли" на поверхности. И по оценкам, всего лишь один полёт шатла на Луну может доставить столько этой пыли, что вся земная энергетика будет обеспечена топливом целый год. (А дейтерия у нас неисчерпаемые запасы в океане.)
    Александр Бобылев # ответил на комментарий Микола Борисiв 15 декабря 2015, 17:36
    Спасибо, Микола. Я знаю, я профессиональный физик, выпускник физфака МГУ древних лет. И одно время даже работал над лазерным термояом, как оптоэлектронщик - когда это дело только начали прорабатывать и творить опытную лазерную линейку для него.
    А то, что я и вы немного обсудили вопрос, может быть полезно для непрфессионалов!
    • Регистрация
    • Вход
    Ваш комментарий сохранен, но пока скрыт.
    Войдите или зарегистрируйтесь для того, чтобы Ваш комментарий стал видимым для всех.
    Код с картинки
    Я согласен
    Код с картинки
      Забыли пароль?
    ×

    Напоминание пароля

    Хотите зарегистрироваться?
    За сутки посетители оставили 557 записей в блогах и 5956 комментариев.
    Зарегистрировалось 132 новых макспаркеров. Теперь нас 5030428.
    X