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!

• Солист группы «Иванушки International» второй раз станет дедушкой
  
  Жена солиста группы «Иванушки International» Кирилла Андреева Лолита сообщила в шоу «Ты не поверишь!», что их невестка Аделина беременна во второй раз.
• У актрисы Натальи Дрожжиной выявили проблемы с сердцем
  
  Сыгравшая в «Семнадцати мгновениях весны» и «Интердевочке» актриса Наталья Дрожжина на днях была вынуждена обратиться за помощью к врачам из-за болей в области сердца.
• Патриарх Кирилл наградил Эмира Кустурицу орденом за «вклад в сохранение традиционных ценностей»
  
  Патриарх Московский и всея Руси Кирилл поздравил сербского режиссера Эмира Кустурицу с 70-летием. Об этом сообщается на официальном сайте епископа.
• Григорий Лепс на пенсии хочет построить дом недалеко от монастыря
  
  Певец Григорий Лепс рассказал в интервью Роману Костомарову, что не вернется на родину в Сочи после выхода на пенсию. Он хочет либо остаться в Москве, либо уехать в Тверскую область.
• Маша Распутина призналась, что ей предлагали купить звание Заслуженной артистки России
  
  Певица Маша Распутина предположила, что её не удостоили звания Заслуженной артистки России, поскольку она всегда «была как ком в горле для многих». Её слова передает mk.ru.
• Илья Авербух посоветовал родителям подальше убирать телефон
  
  Известный фигурист Илья Авербух с молодой супругой Елизаветой Арзамасовой воспитывают двоих малышей. При этом оба много работают, но стараются уделять семье как можно больше времени.
• Влад Лисовец признался, что тяжело пережил кризис среднего возраста
  
  Знаток моды Влад Лисовец в этом году отметил свой 52-й день рождения. Стилист добился невероятных высот в своём деле, но всё было не так гладко, как может показаться со стороны.
• Игорь Крутой получил орден «За заслуги перед Отечеством»
  
  Президент России Владимир Путин наградил композитора, народного артиста России Игоря Крутого орденом «За заслуги перед Отечеством» II степени.
• Светлана Светличная незадолго до смерти могла стать жертвой мошенников
  
  Генеральный директор Гильдии актеров кино России Валерия Гущина сообщила, что Светлана Светличная стала жертвой мошенников перед кончиной.
• Уголок шахматиста. Поздравили с юбилеем
  
  Как мы уже сообщали, недавно свое 90-летие отметил сын первого сибирского мастера по шахматам Николай Петрович Измайлов. Ассоциация любителей шахматной игры Сибири и Дальнего Востока не могла пройти мимо этого события, и двое представителей ее иркутского отделения – автор этих слов и главный спонсор всех изданий Геннадий Хусаинов – на днях побывали у юбиляра в гостях.
• Повезло!
  
  Новая подборка интересных фактов со всего света с комментариями нашего обозревателя.
• Малинина, Баскова и Киркорова лишили званий народных артистов Украины
  
  Певцы Николай Басков и Филипп Киркоров были лишены звания «Народный артист Украины» указом президента Украины Владимира Зеленского. Об этом говорится в сообщении на официальном сайте администрации Зеленского.
• Сын Александра Градского недоволен памятником, который установила вдова на могиле композитора
  
  Сын Александра Градского Даниил раскритиковал воздвигнутый на могиле отца памятник, установкой которого занималась вдова композитора Марина Коташенко. Слова наследника передает «Пятый канал».
• Двухлетний малыш выпил наркотик из бутылки и скончался
  
  В Москве двухлетний ребёнок случайно выпил бутират из бутылки для взрослых и умер через несколько часов.
• Пожаловавшейся на плохую дорогу россиянке власти предложили купить вертолет
  
  Власти иногда просто шокируют своими ответами на обращения граждан. Например, руководство села Студеновка в Воронежской области в ответ на жалобу местной жительницы на плохие дороги предложило… приобрести ей вертолет.
• Матрёна Зимняя: избавьтесь от старых и ненужных вещей
  
  22 ноября – Матрена Зимняя. В этот день на Руси провожали осень и начинали подготовку к зиме. Какие есть приметы и традиции у народного праздника?
• С 2025 года в России усложнится выход на пенсию
  
  Пенсия в следующем году будет связана с новыми условиями. Речь идет о выходе на заслуженный отдых по возрасту и условий, которые были введены в рамках пенсионной реформы 2019 года.
• Врач назвал плохой сон возможным началом деменция
  
  Эксперт по медицине Надежда Чернышова предупредила о том, что бессонница в пожилом возрасте может свидетельствовать о начале деменции.
• Стали известны города с наименьшим первоначальным взносом по ипотеке
  
  В городе Челябинске для покупки двухкомнатной квартиры по программе семейной ипотеки с 50% первоначальным взносом требуется наименьшая сумма среди крупных российских городов.
• Дженнифер Лопес заподозрили в романе с телохранителем
  
  Американскую певицу и актрису Дженнифер Лопес заподозрили в романе с телохранителем, которого она наняла после расставания с актером Беном Аффлеком. Об этом пишет RadarOnline.