Имитатор Солнца: запущен самый большой в мире термоядерный стеллатор
В Германии успешно запущен самый большой в мире термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X, строительство которого продолжалось порядка 15 лет. Основная цель проекта стоимостью более миллиарда евро - проверка эффективности подобной конфигурации реакторов. В перспективе на базе технологии построят термоядерную электростанцию нового поколения, которая обеспечит мир дешевой и чистой энергией.
На Wendelstein 7-X ученые возлагают большие надежды: по мнению физиков, термоядерным синтез - будущее мировой энергетики. Топливом для него является тяжелая вода, содержащая изотоп водорода дейтерий, и тритий. Причем при использовании дейтерия выделяется огромный объем энергии: калорийность термоядерного топлива в миллион раз выше любого из современных неядерных источников энергии. Ученые говорят, что термоядерные электростанции не наносят вреда окружающей среде, а топлива для них достаточно в любой стране мира. По сути, технология управляемого термоядерного синтеза предлагает человечеству неиссякаемый и достаточно безопасный источник энергии, работающий буквально на воде.
Сегодня в мире существуют два перспективных проекта термоядерных реакторов: токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) и стелларатор. Конструкцию стелларатора впервые предложил в 1951 году американский физик Лайман Спитцер. Свое название реактор получил от латинского stella - звезда, поскольку внутри такой установки температура сравнима с температурами, достигаемыми внутри ядра Солнца. Стелларатор - своеобразная магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от разработанного в СССР токамака в том, что магнитное поле в стеллаторе для удержания плазмы полностью создается внешними катушками, что позволяет использовать установку и в непрерывном режиме. В токамаке для разогрева плазмы и удержания равновесия плазменного шнура в вакуумной камере применяется электрический ток.
Для создания особой конфигурации магнитного поля в стеллаторе необходимы катушки сложной формы, производство которых было освоено далеко не сразу. Поэтому первые модели стеллараторов давали плазму с худшими параметрами, чем токамаки. И лишь в последнее время, благодаря появлению мощных суперкомпьютеров, позволяющих производить сложнейшие расчеты, разработали технологии, позволяющие удерживать плазму в магнитном поле сложной конфигурации.
Реактор Wendelstein 7-X находится в Грифсвальде, на северо-востоке Германии. Он построен специалистами Института физики плазмы Макса Планка, а все его основные узлы и компоненты были рассчитаны при помощи суперкомпьютера. Wendelstein 7-x является первым полномасштабным оптимизированным стелларатор-реактором, который создает в своей камере неоднородное магнитное поле, имеющее области с завихрениями и напоминающее несколько раз перекрученную ленту Мебиуса. Такое магнитное поле обеспечивает среду, плазма в которой обладает большей стабильностью, а следовательно, всеми реакциями можно управлять более эффективно.
Установка состоит из 70 сверхпроводящих катушек общим весом более 725 тонн. Они способны создавать магнитное поле, удерживающее плазму с температурой 60-130 млн градусов - это в несколько раз выше, чем температура в центре солнечного ядра. Вся конструкция окружена прочной теплоизолирующей оболочкой диаметром 16 метров. Авторы данного проекта надеются поставить на реакторе новый рекорд по удержанию плазмы - 30 минут (нынешний для токамаков составляет 30 секунд).
Эксперименты на Wendelstein 7-X ученые планируют провести в три этапа. На первом, начавшемся 10 декабря, физики проведут опыты с получением в реакторе гелиевой плазмы, которую нужно удерживать в равновесном состоянии 1-2 сек. Выбор для начала запуска гелия обусловлен легкостью его перехода в состояние плазмы. В ходе испытаний первой фазы ученые собираются проверить работу систем реактора и при возникновении неисправностей оперативно их устранять. Вчерашние тесты прошли успешно. Физикам удалось при помощи микроволнового импульса нагреть один миллиграмм газообразного гелия до температуры в миллион градусов 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 последующие дни исследователи будут наращивать мощность излучения и повышать температуру плазмы.
На конец января 2016 года намечены испытания с водородной плазмой. После успешного завершения второй фазы экспериментов ученые будут удерживать на Wendelstein 7-X водородную плазму в течение 10 секунд. Конечные цели проекта, которых физики хотят достигнуть на третьем этапе, - удержать плазму в реакторе до получаса. При успешных результатах всех испытаний планируется построить промышленный стелларатор для коммерчески выгодного производства электроэнергии.
По словам руководителя проекта Томаса Клингера, от экспериментов на Wendelstein 7-X зависит будущее термоядерной энергетики. Сейчас важно понять принципы работы установки, выяснить, насколько верны проведенные расчеты и что следует подкорректировать. Wendelstein 7-X является на сегодня самым мощным стелларатором в мире. Его ближайший конкурент - LHD (Large Helical Device), расположен в Японии.
