Перспективы развития ядерной энергетики через термоядерный реактор

Как это работает

Термоядерная энергетика пытается скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там при сверхвысоких температурах и давлении сливаются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.

Чтобы достичь этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз большая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по крайней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER, – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. Первые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.

В токамак запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма такой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают в свою очередь сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до практически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полуметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких условиях – сложнейшая инженерная задача.

Современные токамаки выделяют меньше энергии, чем расходуется на нагрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у британского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громадина высотой с девятиэтажный дом, примерно такого же диаметра) создатели рассчитывают, что реактор сможет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Этот момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.

Но ITER не будет производить электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если эксперименты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет прототип термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании построить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.

Модель реактора ITER

Важнейшая цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого необходимо будет обеспечить управляемое производство “горящей плазмы” (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достичь самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа, использующегося в качестве топлива. Кроме того, ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электростанций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.

Безопасность – одно из ключевых преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае проблем плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.

Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью топлива: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом предполагает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных компонентов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.

Перспективы исследований ядерного синтеза

Научно-исследовательские работы в области ядерного синтеза

Несмотря на то, что первые опыты ядерного синтеза были проведены более полувека назад, научно-исследовательские работы в этой области активно продолжаются. Ученые всего мира работают над созданием более эффективных и безопасных установок для ядерного синтеза.

Перспективы промышленного производства энергии из ядерного синтеза

Одним из главных преимуществ ядерного синтеза является возможность производства энергии без выброса вредных веществ в атмосферу. Также меньше необходимости в оборудовании и удалении отходов, что делает ядерную энергетику более экологически чистой и экономически выгодной.

Применение ядерного синтеза в космических исследованиях

Ядерный синтез находит применение и в космических исследованиях. Для обеспечения длительной работы космических станций или пилотируемых кораблей необходимо обеспечить их энергетическую самодостаточность. Ядерный синтез позволяет получить энергию на месте, что уменьшает необходимость периодической смены энергетических аккумуляторов.

Перспективы применения технологий ядерного синтеза в медицине

Один из перспективных вариантов применения ядерного синтеза — получение изотопов для медицинских целей. Например, изотоп углерода-11 используется в диагностике рака, а технеций-99 используется в медицинских сканерах и других приборах. Также изотопы используются в радиохирургии, радиотерапии и других областях медицины.

Термоядерные реакторы

Многие недостатки реакторов деления, будь то тепловые или реакторы-размножители на быстрых нейтронах, хорошо известны из-за их обширного опыта эксплуатации.

Термоядерные реакторы, поскольку пока они существуют только как возможность, не страдают от реальных негативных последствий.

Термоядерная энергия образуется путем слияния двух легких атомов, например дейтерия и трития, двух относительно редких изотопов водорода.

Термоядерный синтез — это то, что приводит в движение огромную энергию Солнца, и условия, подобные тем, что в ядре Солнца, будут необходимы для успешного синтеза.

Одно из преимуществ термоядерного синтеза перед реакторами деления состоит в том, что радиоактивное излучение намного меньше.

Существуют основные три проблемы для термоядерной энергетики как:

• нагрев большого объема (возможно, 1000-3000 м3) плазмы до температуры свыше одного миллиона ºC. Сверхгорячая плазма должна храниться в «магнитной бутылке», называемой токамак, чтобы предотвратить ее соприкосновение со стенками реактора и охлаждение
• доказательство того, что материалы, выбранные для стенок реактора, достаточно прочны, чтобы выдержать интенсивный поток нейтронов и высокие температуры
• обеспечение того, чтобы неизбежно сложная система могла работать непрерывно без поломок.

Перспективный экспериментальный термоядерный реактор

Международный экспериментальный реактор токамак (ITER) был разработан, чтобы помочь обеспечить решения этих проблем, и работа по подготовке площадки началась в Кадараше на юге Франции. Но уже сейчас стоимость проекта удвоилась по сравнению с оценкой 2006 года в 7 миллиардов долларов США, а предполагаемая дата проведения первых экспериментов, способных подтвердить термоядерный синтез, была перенесена с 2018 на 2025 год. Эти ожидаемые задержки и инфляция издержек еще раз иллюстрируют утверждение некоторых ученых о чрезмерном оптимизме в отношении перспективы развития ядерной энергетики.

Некоторые исследователи выступили с еще более фундаментальной критикой термоядерной энергии.

Вторя более раннему замечанию Эйнштейна, но, возможно, с большим количеством доказательств в поддержку некоторых точек зрения, что в настоящее время нет интереса со стороны коммунальных компаний к горячему синтезу, и что эта ситуация  вряд ли изменится в обозримом будущем.  Только деньги налогоплательщиков будут доступны для развития термоядерного синтеза на многие десятилетия вперед. При этом частные инвесторы не заинтересованы в такого типа проектах. Коммерческие реакторы деления последовали за атомными бомбами всего лишь на несколько лет, термоядерная (водородная) бомба начала 1950-х годов после более чем полувека не была заменена коммерческой термоядерной энергией. Физики утверждают, что  объяснение имеет больше общего с инженерией, чем с физикой.

Термоядерная электростанция потребует объема активной зоны примерно в 150 раз больше, чем реактор деления со сравнимой мощностью. Это, в свою очередь, требует очень большой площади (и объема) окружающего материала, чтобы поглотить нейтроны высокой энергии, выпущенные реакцией дейтерия и трития. Из-за нейтронной бомбардировки дорогостоящие покровные материалы станут хрупкими и потребуют регулярной замены в течение всего срока службы реактора. В результате облучения, демонтаж, снятие и замена одеяла должны будут производиться дистанционно.

Стоимость термоядерной энергии будет далеко за пределами конкурентного ценового диапазона, в то время как она должна быть намного ниже, учитывая связанные с этим финансовые риски.

Как заставить работать термоядерный синтез?

На прошлой неделе редактор io9 посетил Принстонскую лабораторию физики плазмы, чтобы взглянуть на недавно модернизированный эксперимент NSTX-U (National Spherical Torus Experiment), самый мощный «сферический токамак» — реактор синтеза на Земле. 85-тонная машина в форме гигантского яблока использует высокоэнергетические частицы для нагрева атомов водорода до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию, что выше, чем в ядре Солнца. Для удержания этой сверхгорячей плазмы, обмоточные медные катушки генерируют магнитное поле в 20 000 раз более мощное, чем у Земли. Все для того, чтобы в течение нескольких волшебных секунд атомные ядра сталкивались, синтезировались и выпускали энергию.

Этот эксперимент является шагом на пути к создания установки синтеза, которая будет работать постоянно, запитывая целые города всего лишь одним граммом морской воды.

Звучит, конечно, это прекрасно. Но ядерная физика говорит свое веское «нет»

Легко понять, почему сфера энергии синтеза склонна к громким заявлениям — в основе лежит просто невероятная идея. Но что больше всего поражает во время экскурсии по PPPL, это не волшебная наука, которая творится внутри гигантского реактора, и не центр управления а-ля Хьюстон, где десятки ученых проводят моделирования на суперкомпьютерах. Поражает баланс оптимизма на тему будущего энергии синтеза и реализма на тему сложных физических и технических проблем, которые необходимо решить на пути к этому будущему.

Первая проблема, как выяснили физики в 1950-х и 1960-х, заключается в том, что синтезируемая плазма — свободно текущий бульон из протонов и электронов, атомные ядра которых сталкиваются и испускают энергию — не любит, когда ее удерживают. Она хочет расплескиваться повсюду, и нам нужно достаточно высокое давление и длительное время, чтобы мы могли произвести больше энергии, чем потратить на удержание этой плазмы.

Наше солнце удерживает плазму силой своей гравитации, но на Земле мы должны полагаться на мощные магниты и лазеры для этого. И цена ошибки очень высока. Даже крошечное количество сбежавшей плазмы может пробить стенку реактора и остановить процесс.

Область физики плазмы расцвела из желания закупорить звезду в бутылке. За последние несколько десятилетий эта область разрослась в бесчисленных направлениях, от астрофизики до космической погоды и нанотехнологий.

По мере того, как росло наше общее понимание плазмы, росли и наши возможности поддержания условий синтеза в течение больше чем секунды. В начале этого года новый сверхпроводниковый реактор синтеза в Китае смог удержать плазму температурой в 50 миллионов градусов по Цельсию в течение рекордных 102 секунд. Wendelstein X-7 Stellarator, который заработал в Германии впервые прошлой осенью, как ожидается, сможет побить этот рекорд и удержать плазму до 30 минут за раз.

Недавнее обновление NSTX-U выглядит скромным в сравнении с этими монстрами: теперь эксперимент может удерживать плазму в течение пяти секунд вместо одной

Но и это тоже является важной вехой

NSTX-U позволит принстонским исследователям заполнить некоторые пробелы между тем, что известно из физики плазмы сейчас, и тем, что будет необходимо для создания опытно-промышленной установки, способной достичь устойчивого состояния горения и генерации чистой электроэнергии.

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.

Как работает ядерный синтез?

Ядерный синтез – это процесс соединения ядер на микроскопическом уровне. Он происходит при высоких температурах и давлениях, и может привести к выделению большого количества энергии.

В ядерном синтезе используются легкие элементы, такие как водород. При соединении двух ядер водорода образуется ядро гелия. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии в виде света и тепла.

Однако для ядерного синтеза необходимо преодолеть отталкивание между ядрами. Для этого используются высокие температуры, достигающие нескольких миллионов градусов, и сильные магнитные поля, которые помогают удержать плотную плазму к вакуумной стенке.

Для проведения ядерного синтеза необходимы особые установки – стеллараторы и токамаки. Они создают условия для ядерного синтеза и помогают удерживать плазму при высоких температурах. Для каждой технологии существуют свои преимущества и недостатки, и выбор технологии зависит от ряда факторов.

• Стеллараторы – это установки, которые используют магнитные поля без электрических токов. Они имеют вытянутую форму и создают магнитные поля, которые удерживают плазму в центре кольца. Одним из преимуществ стеллараторов является возможность улавливать высокоэнергетических нейтронов, которые используются в медицине. Однако эти установки требуют большой сложности и высоких затрат на создание.
• Токамаки – это установки, которые используют электрические токи для создания магнитных полей. Они имеют форму кольца и используют магнитные поля, чтобы удерживать плазму в центре кольца. Преимуществом токамаков является их относительная простота и низкая стоимость создания. К недостаткам относятся трудности с удержанием плазмы и высокие затраты на поддержание рабочей температуры.

Recent Stellarator Changes

However more recent developments have enabled new stellarator designs to
match the outcomes for the more favoured tokamak. Much of this has been
put down to the work of S Rehker and Horst Wobig in the 1970s through presentations made to Euratom.

By examining the effects of the combined helical and toroidal coils they extrapolated a design which produced the twisted tortuous coils that can be found in modern stellarator design. Part of this twisting design is in mirroring the kinking and bending of the contained plasma. All the associated walls reflect this structure.

Current constructions tend to be modular allowing for replacement of parts as needed with minimal disruption to continued performance.

An advantage of the design is the chance to achieve effective temperatures and likely fusion with a much smaller construction than that required by the tokamak. The underlying construction, though, is very similar.

There needs to be a containment vessel, shielding and blanket walls that deal with the neutron production and allow for manufacture of tritium for further fuel supply. Withdrawal of the waste products occurs in a similar way. An effective vacuum needs to be maintained to allow pure plasma interactions.

Ports need to incorporated to allow the vacuum to be
maintained, allow observation and measurement of results, for removal
of products and the introduction of new fuel and plasma heating methods.

The
more compact version (to be covered more in this site) that was being
constructed at Princeton was scrapped due to rising costs. But this
model does have some significant benefits.

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, сделавшим температуру 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

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

Wendelstein Generations

The Max Planck Institute’s for Plasma Physics former Wendelstein 7-AS paved the way for the current construction of the Wendelstein 7X.

If this produces the results expected towards effective fusion, then there is another competitor in the race for the supply of nuclear fusion alternative energy. With the stellarator’s more stable plasma it has a great possibilities.

As of December 10 2015 this has been achieved.  A somewhat brief tenth of a second million degree plasma of helium was produced.  January 2016 should see the beginning of trials with hydrogen.

The fuel proposed is deuterium and tritium with the handling and repair problems associated with radioactive, though short-lasting, by-products. Remote handling of cleaning and replacement parts will be required. This has been incorporated into design ideas.

Aneutronic-type fusion of necessity would require much higher temperatures, currently not being designed for.

The stellarator has again forced its way into contention for attention as a possible nuclear fusion power generator. More results will be available in the next few years as the Wendelstein 7X comes on-line.

1. Home
2. Fusion
3. Stellarator

Share

Ожидаемые результаты и их влияние на будущее энергетики

Преимущества стелларатора перед токамаком

Увеличение эффективности ядерного синтеза. Стеллараторы используют магнитные поля с более сложной конфигурацией, чем токамаки, что позволяет добиваться более сильного сжатия и тем самым повышать вероятность ядерного синтеза. Это может значительно увеличить эффективность процесса и, следовательно, добавить больше гигаватт-часов в год к мировой энергетической сети.

Более низкие эксплуатационные расходы. Так как стелларатор использует более простые магнитные поля, он не нуждается в таких масштабных устройствах для поддержания плазмы, как токамак. Это может означать значительные экономические преимущества, связанные с уменьшением расходов на инфраструктуру. Дополнительно, перспектива более высокой эффективности может значительно снизить расходы на перспективные исследования.

Влияние на будущее энергетики

Гибридная система энергетики. По словам экспертов, переход на использование синтеза ядерной энергии может быть начат в ближайшие 20 лет. Мировая общественность понимает, что возобновляемые источники энергии как солнечная и ветряная могут помочь решить проблему изменения климата только на 50-60 %. Технологии, использующие синтез, могут обеспечить дополнительную энергию, в том числе для загрузки тех же возобновляемых источников.

Надежные источники энергии. Ядерный синтез может стать ключом к созданию энергетической системы, которая не будет зависеть от случайностей природы или политических событий. Технологии, как стелларатор, могут помочь обеспечить значительный вклад в обеспечение надежных источников энергии, что может дополнительно способствовать стабилизации мировой политической обстановки и улучшению экономических условий.

Теорема о причёсывании ежа

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.

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.

С нуля до 63%

В ноябре 1985 года на встрече в Женеве лидеры США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом проекта. Уже через год был Евратом, СССР, США и Япония подписали договор.

Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и продолжалась до утверждения финальной версии в 2001-м.

В 2003 году к консорциуму для работы над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же выбрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.

Межгосударственное соглашение о создании ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007-го начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и последующий демонтаж реактора.

Техники работают внутри здания, где будут изготовлены четыре катушки полоидального поля на строительной площадке Международного термоядерного экспериментального реактора ITER в окрестностях Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе

Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами комплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит, чтобы поднять авианосец), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с Россией поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и различные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.

По состоянию на конец июня 2019 года проект был готов “более чем на 63%”, отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% зданий, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех необходимых компонентов: например, Китай 23 сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.

По сложности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.

“Коллайдер – это всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задача более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними надо справиться, – рассказал Радио Свобода глава российского агентства проекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого количества параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже”.

Столь сложный международный проект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет проекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру сложно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные компоненты, ими производимые. Участники проекта передают не только деньги, но и построенные компоненты. В российском бюджете на ITER в 2020-2022 годах заложили 11,8 млрд рублей (около $180 млн).

Мегаконструкции. Немецкий стелларатор Wendelstein 7-X +48

• 12.12.16 13:31

•
alizar
•
#283600
•
Гиктаймс

•

•

25100

Энергия и элементы питания, Научно-популярное, Будущее здесь, Физика, Научная фантастика
Рекомендация: подборка платных и бесплатных курсов Java — https://katalog-kursov.ru/

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.

Стеллараторы

Wendelstein 7-XСтеллараторЛайманом Спитцеромлабораторию физики плазмы Принстонского университетаодной обмоткой

Теорема о причёсывании ежа

Теорема о причёсывании ежатеоремы о неподвижной точкеКонцепция стелларатора Wendelstein 7-X

Сборка стелларатора Wendelstein 7-X

Сборка стелларатора Wendelstein 7-X, ноябрь 2011 года. Фото: IPP, Wolfgang FilserСборка термоизоляции внешней оболочкиСлева — 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 ВеликобританииEXTREMATТеплообменный дивертор Plansee поглощает 10 МВт на квадратный метр в непрерывном режимеСоздание стелларатора в Институте Макса Планка по физике плазмы

впервые был запущен экспериментальный стелларатор Wendelstein 7-XWendelstein 7-X: первая плазма

Замер магнитного поля

«Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1:100,000»Визуализация магнитного поля в стеллараторе с помощью нейтрального газа (смесь водяного пара и азота). Три ярких пятна — калибраторы для камерыСечение Пуанкаре замкнутого магнитного контура. Электронный пучок прошёл по нему более 40 раз, то есть более 1 кмНезначительный сдвиг магнитного поля из-за деформации сверхпроводящих магнитов

Theoretical Considerations

Assuming that confining hot plasmas within a magnetic field would work best, he decided a torus-type idea in a figure eight arrangement would overcome some important problems inherent in a simple torus.

As detailed in information on the pinch effect, keeping plasmas confined is a challenge.

At its most basic a single straight line plasma is envisaged. This leaves open ends where heat and plasma can escape weakening the chance of effective fusion.

By folding the straight cylinder on its end to create a continuous circular structure the plasma could be contained. But in doing so the inside circumference wall magnetic field is denser, or stronger per unit area, than the outer wall. Plasma drift to the outer wall will occur, limiting effective confinement.

Another problem with any drift to a wall is interaction with the material the wall is made of. This can result in cooling of the hotter plasma and also the release of impurities back into the chamber which will again lower the temperature and effectiveness of the designed plasma interactions.

By folding the cylinder into a figure eight, overall the lessened magnetic field on the outside is equalised as the plasma sweeps around the reverse of the figure eight, balancing the defect.

From a very early stage Lyman Spitzer Jr designed ideas for diverters in the system to withdraw waste and unwanted products out of the chamber without affecting continued plasma confinement time. His design prefigured those employed in the tokamak concept.

The major design advantage of the stellarator was in not having to establish a current in the plasma. The tokamak utilizes a plasma current. In doing so the applied field needs to vary, with the energy released through a transformer. This gives the plasma a short confinement time. In contrast the stellarator should be able to hold a plasma over a long time period.

Initial Design Details

Its initial design was to have a helical coil about the
plasma with the current travelling in opposite directions in each
adjacent coil. Further modifying toroidal coils produced vertical
currents to maintain stability. From this basic design have arisen the
complex configurations of the modern stellarator.

Diagram Courtesy of US Department of Energy Source on Los Alamos Papers

Further inputs in the design are shown in other related ideas for confinement as pictured here.

The initial figure eight layout was employed in the very earliest models at Princeton where Lyman Spitzer was Chairman of the Department of Astronomy. As the US Atomic Energy Commission backed his models and building of the first prototypes Princeton Plasma Physics Laboratory was born. In further models the figure eight design was superceded by a more simple ovoid layout.

Good results were achieved for confinement and high plasma temperatures. Plasma temperatures could be raised further with ion beams and other similar methods.

Comparison with the apparently better results of the British ZETA torus project resulted in the stellarator losing favour.

Процесс работы

Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии — магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения — так называемого циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития, начинаются термоядерные реакции.

Тот факт, что для магнитного удержания плазмы требуется тороидальный сосуд, а не сферический, напрямую связан с «теоремой о еже», согласно которой «сферический ёж» не может быть причёсан — по крайней мере в одной точке ежа иголки будут стоять перпендикулярно «поверхности ежа». Это напрямую связано с топологическим свойством поверхности — эйлерова характеристика сферы равна 2. С другой стороны, тор возможно причесать гладко, так как его эйлерова характеристика равна 0. При рассмотрении вектора магнитного поля как иголки становится ясно, что замкнутая магнитная поверхность может быть только поверхностью с эйлеровой характеристикой, равной нулю — в том числе тороидальной.[источник не указан 2830 дней]