?

Log in

No account? Create an account
Космос, Земля, человек
Собирая лучшее
Германия запустила мощнейший термоядерный реактор 
14th-Dec-2015 11:56 pm
энергетика, наука
Правила слияния



Стелларатор Wendelstein 7-X
Фото: MPI for Plasma Physics



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
Фото: MPI for Plasma Physics



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.




Классическая схема токамака
Изображение: ИТЭР



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
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)
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
Фото: Bernhard Ludewig / IPP



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.




Инженер внутри строящейся вакуумной камеры Wendelstein 7-X
Фото: IPP



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
Фото: MPI for Plasma Physics



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.




Вакуумная камера Wendelstein 7-X до запуска 10 декабря
Фото: MPI for Plasma Physics



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.




Видео: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Андрей Борисов, lenta.ru, 11 декабря 2015

Спасибо



.
promo universal_inf may 5, 2014 02:04 19
Buy for 50 tokens
Обзоры и посты космической тематики. Разместите свой анонс.
Comments 
14th-Dec-2015 06:07 am (UTC)
Это очень интересно!
14th-Dec-2015 10:53 pm (UTC)
И мне было очень интересно.
14th-Dec-2015 06:44 am (UTC)
Хорошего дня!
14th-Dec-2015 10:54 pm (UTC)
И Вам!
14th-Dec-2015 06:49 am (UTC)
Немцы молодцы. Пашут, как Папа Карло
14th-Dec-2015 10:55 pm (UTC)
А еще они правильно расставляют акценты. Энергетика - один из китов, на который опирается их первая в ЕС и третья в мире экономика.
14th-Dec-2015 07:07 am (UTC)
Прекрасного понедельника!
14th-Dec-2015 10:55 pm (UTC)
Спасибо! Взаимно :)
14th-Dec-2015 09:14 am (UTC)
Мощно смотрится!
14th-Dec-2015 10:56 pm (UTC)
Не то слово!
14th-Dec-2015 09:40 am (UTC)
Интересное устройство. Довольно компактное для такой мощной установки.
14th-Dec-2015 10:56 pm (UTC)
Очень интересное.
14th-Dec-2015 01:01 pm (UTC) - Германия запустила мощнейший термоядерный реактор
Пользователь komodo74 сослался на вашу запись в своей записи «Германия запустила мощнейший термоядерный реактор» в контексте: [...] Оригинал взят у в Германия запустила мощнейший термоядерный реактор [...]
14th-Dec-2015 10:57 pm (UTC) - Re: Германия запустила мощнейший термоядерный реактор
+
14th-Dec-2015 02:55 pm (UTC)
Спасибо!
14th-Dec-2015 10:58 pm (UTC)
Тебе спасибо!
14th-Dec-2015 04:33 pm (UTC)
что-то гротескно-монументальное) *если такое бывает)
14th-Dec-2015 10:58 pm (UTC)
Можно и так сказать :)
14th-Dec-2015 05:40 pm (UTC)
Просто невероятные вещи происходят!
14th-Dec-2015 11:00 pm (UTC)
Крутые ребята, что тут еще сказать.
15th-Dec-2015 12:07 am (UTC)
И это замечательно, ведь реактор всё-таки запустили, и создатели двигаются в правильном направлении. Причем деньги не были выкинуты на Олимпиаду, или чемпионат по футболу..
15th-Dec-2015 05:42 am (UTC)
Да, сейчас просто необходимо использовать альтернативные источники энергии.Немцы молодцы.
15th-Dec-2015 10:39 am (UTC)
К сожалению не всё из текста поняла, но пост добротный и информативный!

Но не значит ли это, что стоимость воды (или правильно говорить "тяжёлой воды"?) значительно подорожает? Не хватало ещё политические войны из-за воды устраивать... Да и, к слову, что тогда со странами-экспортёрами нефти станет? Не думаю, что влиятельные богатеи мира сего позволят этому случиться. Даже ценой экологии...
15th-Dec-2015 02:55 pm (UTC)
Молодцы немцы!
This page was loaded Oct 24th 2019, 4:44 am GMT.