Мегаконструкции. Немецкий стелларатор Wendelstein 7-X
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Нагрев плазмы происходит тремя методами: СВЧ-подогрев с мощностью генераторов 10 МВт, подогрев радиоизлучением 4 МВт и подогрев нейтронным пучком 20 МВт.
Когда все пять модулей установили на место в основании стелларатора, начались работы по их сварке, соединению систем для подогрева и мониторинга плазмы.
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.
Такая же точность и специфические научные требования предъявлялись к охлаждающим контурам для катушек.
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).
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 изобрели новый материал из блоков углерода, усиленного углеволокном, 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.
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).
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.
Визуализация магнитного поля в стеллараторе с помощью нейтрального газа (смесь водяного пара и азота). Три ярких пятна — калибраторы для камеры
Сечение Пуанкаре замкнутого магнитного контура. Электронный пучок прошёл по нему более 40 раз, то есть более 1 км
Незначительный сдвиг магнитного поля из-за деформации сверхпроводящих магнитов
Итак, крупнейший в мире стелларатор действительно работает.
