13 декабря, 2015 - 16:11

10 декабря немецкие ученые сделали огромный шаг на пути к достижению чистой и практически неиссякаемой энергии ядерного синтеза, сообщает издание Science Alert.

 

Немецкие ученые Института плазменной физики Макса Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics) добились устойчивой термоядерной реакции с превышением выделяемой энергии над затраченной с помощью устройства, называемого стелларатор. Ученые говорили об огромном потенциале стеллараторов на протяжении десятилетий, но впервые смогли добиться контроля над плазмой.

 

Ядерный синтез происходит при соединении атомов при сверхвысоких температурах и таит в себе огромный потенциал, позволяющий производить практически неограниченное количество энергии. Аналогичные процессы происходят на Солнце последние 4,5 млрд лет, обеспечивая энергией в том числе Землю.

 

Если немецкие ученые смогут повторить результаты на других установках, человечество ожидает энергетическая революция, а потребность в ископаемых источниках энергии (угле, газе, нефти и т. д.) может полностью отпасть. В официальном Twitter института ученые поздравляют коллег с достигнутым результатом.

 

Wendelstein 7-x stellarator

 

В недрах большого исследовательского комплекса, расположенного в Грифсвальде на северо-востоке Германии, находится новый реактор термоядерного синтеза, имеющий достаточно нетрадиционную и необычную конструкцию. Строительство этого реактора заняло порядка 15 лет.

 

Реактор Wendelstein 7-x stellarator был построен специалистами Института физики плазмы Макса Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP), а все его основные и критичные узлы и компоненты были рассчитаны при помощи суперкомпьютера. Wendelstein 7-x stellarator является первым полномасштабным оптимизированным стелларатор-реактором, который создает в своей камере неоднородное магнитное поле, имеющее области с завихрениями и напоминающее перекрученную несколько раз ленту Мебиуса. Такое магнитное поле создает среду, плазма в которой, согласно расчетам, будет обладать большей стабильностью, а реакция станет более управляемой за этот счет.

 

Изначально конструкция стелларатор-реактора была разработана в 1951 году Лайманом Спитцером (Lyman Spitzer), ученым из Принстонского университета. Однако, в то время создание реактора такого типа было невозможным из-за ограниченного количества доступных людям материалов. Поэтому реакторы типа токамак, имеющие более простую и более технологичную конструкцию, были выбраны и использованы в качестве стендов для исследований в области ядерного синтеза.

 

Тем не менее, попытки создания стелларатор-реакторов, таких как Wendelstein 7-AS (Advanced Stellarator), были проведены учеными и инженерами различных стран. И лишь в последнее время, благодаря появлению суперкомпьютеров, обладающих мощностью, достаточной для проведения сложнейших расчетов, стала возможна разработка технологий, позволяющих удерживать и контролировать сверхвысокотемпературную плазму в магнитном поле сложной конфигурации.

 

Конструкция стелларатор-реактора создает среду, в которой плазма обладает высокой стабильностью. Ключом к этому является технология, которая позволяет избежать возникновения токов внутри плазменного шнура, потоков свободных электроном и ионов, которые создают свои собственные магнитные поля, что часто приводит разрушению магнитного поля и потере плазмой температуры в токамак-реакторах. В стелларатор-реакторе используется ряд электромагнитных катушек, которые создают закрученное магнитное поле, удерживающее плазму в центре камеры реактора. За счет некоторых физических эффектов, возникающих при взаимодействии плазмы и такого магнитного поля, плазменный шнур постоянно отталкивается в сторону центра камеры, а основным эффектором этого являются магнитные поля, изменяющие свою полярность на противоположную несколько раз по всей длине плазменного шнура.

 

Преимущества стелларатор-реакторов по отношению к токамакам выливаются в высокую стоимость строительства таких реакторов. Кроме этого, завихрения магнитных полей, возникающих в местах "перекручивания" основного магнитного поля, являются потенциальными местами утечки, через которые множество частиц топлива могут покинуть пределы плазменного шнура и утеряны. Поэтому в конструкции реактора используется множество дополнительных катушек, поле которых "затыкает эти дыры", работа которых должна быть синхронизирована с работой катушек основных электромагнитов и которые охлаждаются жидким гелием до уровня возникновения сверхпроводимости.

 

 

В случае реактора Wendelstein 7-x stellarator используются 50 3.5-метровых секций сверхпроводящих электромагнитов, суммарный вес которых составляет 425 тонн. Это делает процесс монтажа и наладки реактора чрезвычайно сложным и кропотливым занятием. А перекачка большого количества жидкого гелия в количествах, необходимых для поддержания температуры обмоток близкой к абсолютному нулю, является "самым большим кошмаром для любого водопроводчика". Необходимость наличия портов для ввода топлива, вывода отработанного материала и массы точек для ввода в камеру всевозможных датчиков и контролирующих устройств, является причиной еще большего усложнения конструкции и стоимости реактора.

 

 И в заключении следует отметить, что на строительство нового стелларатор-реактора было потрачено чуть больше миллиарда евро, а количество трудовых затрат превысило 1 миллион человеко-часов.

 

Первый этап в ближайшие полгода не будет включать какой-то научной программы, речь идет исключительно о проверке машины. Это будут запуски длительностью меньше секунды с 1 или 2 мегаваттами ECRH подогрева, сначала на гелиевой, потом на водородной плазме. После полугода испытаний машина уйдет на исправление выявленных косяков и установку неохлаждаемого дивертора. Затем последует годичная, уже научная, программа с водородной плазмой высокой мощности длительностью до 10 секунд. После этого дивертор переобуют на охлаждаемую версию, и наконец начнется главное, включая 16 мегаваттные D+D раны длительностью до получаса.