Правила слияния

Германия запустила мощнейший термоядерный реактор

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 изотопы 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.

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.

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.

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.

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 (в процентах). 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.

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.

Видео: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Обсудить
00:02 8 декабря 2016

«Его вряд ли воспитывала бабка»

Кем на самом деле был основатель Киевской Руси князь Владимир
00:10 15 ноября 2016

Зина без резины

Как геи, солдаты и проститутки разнесли ВИЧ по СССР
Россия. Москва. 13 апреля 2016. Член комитета Госдумы РФ по вопросам собственности Андрей Свинцов, председатель комитета Госдумы по делам общественных объединений и религиозных организаций Ярослав Нилов, первый заместитель председателя комитета Госдумы по информационной политике, информационным технологиям и связи Вадим Деньгин, член комитета Госдумы по конституционному законодательству и государственному строительству Алексей Диденко (слева направо на втором плане) и член комитета Госдумы по образованию Егор Анисимов (слева на первом плане) на пленарном заседании Государственной думы РФ. Станислав Красильников/ТАССПретерпевшие
На что жалуются депутаты при зарплате в 400 тысяч рублей
Россия для грустных
Тест «Ленты.ру» на экстремизм
Владимир Путин«Волосы дыбом встают»
Чему ужаснулся Путин на Совете по правам человека
Рамзан Кадыров Рамзан сбережет
Почему финансирование Чечни продолжит расти
«Родишь — будешь халат мне от крови отстирывать»
Молодые матери о хамстве и унижениях в родильных домах
«Верните наше будущее!»
О чем мечтают альтернативные правые — друзья Трампа и враги политкорретности
Маттео РенциNo, синьор Ренци!
Итальянские избиратели не поддержали реформы премьер-министра
От ковбоя до рака легких
Сложная история отношений американцев и табачной продукции
Бирманские солдаты на руинах сожженного дома в столице штата РакхайнВас здесь не стояло
Из-за чего власти Мьянмы конфликтуют с мусульманами-рохинджа

Не твой, вот и бесишься
Что нужно продать, чтобы купить новый MacBook Pro 2016
«Его вряд ли воспитывала бабка»
Кем на самом деле был основатель Киевской Руси князь Владимир
Киндер-сюрприз
В мумии литовского ребенка нашли смертоносный вирус оспы
FILE - This is a  Tuesday, Oct. 14, 2014 filoe photo of skulls and bones are stacked at the Catacombs in Paris, France. The subterranean tunnels, which once gave refuge to smugglers and saints, cradle the bones of some 6 million Parisians from centuries past. The Catacombs form a dark, 200-mile (322 kilometer) underground labyrinth beneath the City of Light.  (AP Photo/Francois Mori)Кровавая жатва
Как загадочный паразит жестоко и мучительно убивал древних римлян
Дженис ЙостимаСама себе модель
История успеха девушки из провинции с миллионом подписчиков в сети
Ленинаканский пробор
История парикмахерской, пережившей землетрясение в Гюмри
SAN MARCOS, CA - FEBRUARY 5:  Finished silicone RealDoll sex dolls are seen at the Abyss Creations factory on February 5, 2004 in San Marcos, California. RealDolls are created using Hollywood special effects technology and have orifices made of a special soft grade of silicone for people who want to "enhance their sex lives", according to Abyss Creations literature. Standard female models sell for about $6000, males for $7000, and are sold only over the Internet. "Shemales" and other special orders are also available.       (Photo by Макдоналдс секс-индустрии
Зачем лондонскому кафе эротические роботы
Мохаммед, похититель Рождества
Елки и Санта-Клаусы в Европе оказались в опале
Анастасия Белокопытова «Не считала, сколько трачу в месяц»
История уроженки Рязани, переехавшей в Австрию
Видео: Самый быстрый «МАЗ»
Дакаровский «МАЗ», десантный корабль на воздушной подушке и заброшенная авиабаза
Чех, два японца и кореец: выбираем лучший компактный седан
Длительный тест четырех компактных седанов. Часть 3
В угол за угон
Когда детям становится скучно, они угоняют настоящие машины
Пикник на обочине
Испытываем «арктические» пикапы Toyota Hilux, у которых 10 колес на двоих
Извращенные вкусы
Откровения риелторов о клиентах-геях, богеме, политиках и шизофрениках
Халявщики и партнеры
Застройщики и банки шокируют заемщиков ипотечными условиями
Худо будет
Москвичи тратят миллионы на квартиры, в которых невозможно жить
Горите в аду
Получить имущество по наследству становится все труднее