Германия запустила мощнейший термоядерный реактор

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.

Стелларатор Wendelstein 7-X

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.

Токамак ASDEX

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.

Классическая схема токамака

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.

Модель стелларатора Wendelstein 7-X, тороподобная геометрия магнитного поля и их сравнение с размерами человека

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.

География участников проекта Wendelstein 7-X (на территории Европы)

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.

Строительство Wendelstein 7-X

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

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

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

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.

Источник: lenta.ru

• Расскажите об этом своим друзьям!

• Критик Шнейдеров уверен, что после освобождения из колонии Михаил Ефремов будет крайне востребован как актёр
  
  Актер Михаил Ефремов, отбывающий срок за смертельное ДТП, создаст вокруг себя ажиотаж после выхода из тюрьмы. Об этом в беседе с журналистами заявил кинокритик Давид Шнейдеров.
• Андрей Губин объявил о завершении карьеры
  
  В последнее время было столько разговоров о том, что певец Андрей Губин наконец-то чувствует себя лучше и скоро вернётся на сцену, что поклонники сначала даже не поверили, когда артист заявил о завершении карьеры.
• Эксперт объяснил, почему могут назначить пенсию в размере меньше ожидаемого
  
  Пенсию некоторые граждане ожидают в одном размере, а она оказывается меньше предполагаемой. Так может случиться из-за неучтенного стажа и неофициальной работы, в ходе которой не производились страховые взносы.
• Школьница родила ребенка в туалете ТЦ, а папаша выбросил малыша в лесу
  
  В Архангельске 15-летняя ученица школы в августе прошлого года родила малыша. Все это произошло в туалете торгового центра. После 18-летний папаша отнес младенца в лесополосу и оставил там умирать своего ребенка.
• В Германии задержали мужчину, подозреваемого в расправе над семьей в турецком Бодруме
  
  В ноябре прошлого года в Турции, в Бодруме, были найдены тела двух человек – российской модели Ирины Двизовой и ее дочки, которые погибли от огнестрельных ранений. Подозреваемый в жестоком преступлении – экс-супруг модели Андрей Кушлевич. Ирина пыталась лишить его родительских прав.
• Стилист Александр Рогов посоветовал носить пижамные штаны не только дома
  
  Стилист Александр Рогов назвал модный тренд на весну и лето 2024 года. Соответствующий пост появился в его Telegram-канале.
• Американская актриса обвинила Андрея Кончаловского в женоненавистничестве
  
  Звезда фильма «Оппенгеймер» Эмили Блант обвинила российского режиссера Андрея Кончаловского в женоненавистничестве. Об этом она заявила в разговоре с The Sun.
• Станислав Садальский о своём уходе с Первого канала: «Меня сожрала Малышева»
  
  Многие уже и не помнят, что Станислав Садальский был ведущим программы «Таблетка» на Первом канале. Проект просуществовал несколько месяцев, а потом без объяснения причин был закрыт.
• У Николая Носкова обнаружились новые проблемы со здоровьем
  
  Недавно певец Николай Носков попал в больницу с подозрением на пневмонию. И уже в ходе углубленного обследования у артиста нашли новые проблемы со здоровьем.
• Кристину Орбакайте пригласили спеть на концерте в Кремле
  
  Организатор концерта в Государственном Кремлевском дворце Вячеслав Шаинский объяснил решение пригласить на выступление в честь Дня защиты детей певицу Кристину Орбакайте.
• Аферисты придумали мошенничество с медполисами ОМС
  
  Аферисты по-разному пытаются обманывать граждан. Например, они придумали схему с использованием полисов ОМС (обязательного медстрахования).
• Дороги в центре Москвы перекроют из-за инаугурации президента
  
  Сама церемония инаугурации президента начнется в 12:00 мск. На нее Владимир Путин приедет на обновленном автомобиле Aurus Senat.
• От самокатчика, сбившего пенсионерку, прокуратура требует почти 2 миллиона компенсации
  
  Самокаты – бич современных улиц. Вернее не сами средства индивидуальной мобильности, а самокатчики, которые ими управляют и все чаще совершают наезды на людей.
• Мама стала донором почки для умирающего сына
  
  Любовь матери безгранична. Женщина готова и жизнь отдать за собственного ребенка. А чтобы спасти своего сына, мама из Кузбасса отдала ему часть себя – стала донором почки.
• Взрослый сын Николаса Кейджа жестоко избил собственную мать
  
  33-летнего сына американского актера Николаса Кейджа Вестона Копполу обвинили в жестком избиении своей матери, артистки Кристины Фалтон. Об этом сообщает TMZ.
• Кристина Орбакайте готова тайно выступить в России за пять с лишним миллионов рублей
  
  В последнее время Кристина Орбакайте столкнулась с отменой своих концертов в России. Но за кругленькую сумму вполне готова выступить на закрытом мероприятии – например, на частном корпоративе.
• «Мы бы оплатили ей и лечение, и психиатра»: подруг Анастасии Волочковой пугает её пристрастие к алкоголю
  
  Уже традиционно Анастасия Волочкова отмечает праздники на Мальдивских островах. В своих соцсетях она регулярно выкладывает пляжные снимки и общается с подписчиками.
• Юрия Шевчука проверят на призывы к экстремизму
  
  Лидера группы «ДДТ» Юрия Шевчука проверят по статье «Публичные призывы к осуществлению экстремистской деятельности» после его слов во время концерта в Дубае. Об этом сообщает Telegram-канал Mash.
• Жанна Агузарова спела в переходе московского метро
  
  Певица Жанна Агузарова спела отрывок из своей новой песни в подземном переходе в Москве. Соответствующими кадрами она поделилась на своей странице в соцсети.
• Лидер группы «Калинов мост» лишился денег после разговора с мошенниками
  
  60-летний Дмитрий Ревякин, лидер рок-группы «Калинов мост», стал жертвой мошенников. После разговора с аферистами он лишился более ста тысяч рублей.