Термоядерная энергия

Большинство ядерных физиков убеждены, что за термоядерной энергией – будущее. И действительно, данная технология предполагает ряд преимуществ, в числе которых:

• Неисчерпаемые запасы топлива, в качестве которого выступает водород.
• Отсутствие монополий топливных ресурсов, так как добыча водорода может производиться посредством переработки морской воды, которая широко доступна большинству стран.
• Крайне низкая вероятность аварийного взрыва во время работы термоядерного реактора. По оценкам исследователей, радиоактивные выбросы в результате аварийного взрыва не могут представлять опасности для населения.
• При работе термоядерного реактора не вырабатываются продукты сгорания, а радиоактивные отходы имеют значительно меньший период полураспада, чем в случае с ядерными реакторами.
• Эксплуатация термоядерного реактора не требует наличия материалов, которые могут также быть использованы для ядерного оружия.

По выше упомянутым причинам в различных уголках мира ведется разработка подобных термоядерных реакторов, а также постройка и тестирование экспериментальных установок для проведения управляемого термоядерного синтеза. Выделяют два типа конструкций таких установок:

1. Квазистационарные системы. Установки такого типа осуществляют нагрев и удержание плазмы посредством сильного магнитного поля, в условиях высокой температуры и низкого давления. К квазистационарным системам относятся такие известные установки как токамаки и стеллаторы.
2. Импульсные системы. Управляемый термоядерный синтез осуществляется в таких установках через нагрев топлива, состоящего из дейтерия и трития, при помощи лазера или пучка частиц высокой энергии. Систему называют импульсной, так как процесс ее работы состоит из ряда термоядерных микровзрывов.

 

Стелларатор и токамак

Название «стелларатор» происходит от латинского stella — звезда, так как его задача состоит в проведении процесса, который также протекает в звездах – термоядерного синтеза. Установка представляет собой замкнутую магнитную ловушку, которая способна удерживать сильно разогретую плазму. Ловушка такой установки имеет форму тора, снаружи и внутри которого располагается вспомогательная аппаратура.

В отличие от известной конструкции – токамак, магнитные катушки стеллатора, удерживающие плазму от взаимодействия со стенками, находятся лишь снаружи. Таким образом магнитное поле создается токами, которые протекают вне плазменного объема. Устройство токамака таково, что плазма удерживается лишь при повышении мощности катушек, а так как всегда есть какой-то технический предел возможностей, удержание плазмы в токамаке длится всего несколько секунд. С ростом температуры плазмы растет и ее неустойчивость, что требует более совершенные технологии. Это и более мощные катушки делают проект столь дорогостоящим, что для его осуществления несколько стран объединились в работе над такомаком — ИТЭР.

В случае со стелларатором, механизм удержания плазмы основывается на особой геометрии конструкции, которая позволяет дрейфовать частицам плазмы по тороидальной камере, что не требует столь высоких мощностей катушек и повышает время удержания плазмы. Наиболее известным стелларатором является немецкая установка Wendelstein 7-X (W7-X). Так как конструкция, и особенно геометрия, стеллараторов постоянно менялась и совершенствовалась будем далее рассматривать принцип работы и особенности конструкции на основе последнего образца – W7-X.

Конструкция стелларатора

Тороидальная камера

Основной деталью стелларатора Wendelstein 7-X является тороидальная камера с внешним диаметром 11 метров. Камера состоит из 20 секций, чья особая форма соответствует скрученному кольцу. Через более чем 250 отверстий плазма позже будет наблюдаться и нагреваться. Аналогичное количество портов с хорошей теплоизоляцией проходит между холодными катушками, соединяющими эти отверстия с внешней стенкой криостата.

Катушки

Камера окружена венком из 50 сверхпроводящих ниобиево-титановых магнитных катушек высотой около 3,5 метров. Катушки охлаждаются жидким гелием, сделавшим температуру близкой к абсолютному нулю, после включения они практически не нуждаются в энергии. Их причудливые формы являются результатом оптимизационных расчетов: катушки должны создавать особенно устойчивую, теплоизолирующую магнитную клетку для плазмы.

На катушки стелларатора накладывается второй набор из 20 плоских, аналогично сверхпроводящих катушек. Этот второй набор катушек нужен для изменения конфигурации магнитного поля. Массивная кольцевая опорная конструкция удерживает катушки в точном положении, несмотря на высокие магнитные силы.

Геометрия установки

До начала XXI-го века конфигурации магнитного поля, образовываемого в камерах стеллараторов, были схожи. Наиболее известной установкой такого типа являлся советский Торсатрон. Время удержания плазмы в таком устройстве на практике оказалось значительно ниже, нежели по теоретическим оценкам. Однако, благодаря возникновению компьютерного моделирования ученым удалось вычислить более практичную геометрию стелларатора, которая и использовалась при постройке Wendelstein 7-X.

Криостат

Вся камера с катушками окружена теплоизолирующей наружной оболочкой диаметром 16 метров, которая называется «криостат». Специальная холодильная установка в 5000 Вт обеспечивает криостат гелием, чтобы охладить магниты и их опорную конструкцию. Таким образом, установка обеспечивает 425 тонн материала, доведенного до температуры сверхпроводимости – 4 К или -269.15 °C.

Как работает стелларатор?

3 февраля 2016 года, после десяти лет строительных работ и более миллиона часов сборки началась экспериментальная операция на Wendelstein 7-X, тогда была получена первая гелиевая плазма при помощи этого стелларатора.

По нажатию кнопки федерального канцлера Ангелы Меркель система подала около миллиграмма газообразного вещества в камеру, а вернее – изотопы водорода – дейтерия и трития.

Предварительно из тороидальной камеры был выкачан воздух. Последующий нагрев вещества производился тремя методами:

• Основной нагревательный инструмент в W7-X — Микроволновая печь – ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating), которая состоит из десятка гиротронов – мощных источников микроволнового излучения. Это излучение направляется на вещество и нагревает его.
• Лазер нейтральных частиц NBI (Neutral Beam Injection Heating). Этот инструмент запускает в камеру высокоэнергетические нейтральные частицы, которые бомбардируют топливо и тем самым передают ему свою энергию, нагревая топливо
• Ионная циклотронная резонансная печь ICRH (Ion Cyclotron Resonance Heating). В зависимости от особенностей геометрии и условий запуска, электромагнитное излучение определенной частоты (около нескольких десятков МГц — диапазон «ионно-циклотронного движения») может поглощаться плазмой, нагревая ее.

Таким образом, в результате нагрева вещества до температуры более миллиона градусов Цельсия возникла термоядерная реакция. В процессе реакции атомы дейтерия и трития сталкивались с такой силой, что производился гелий-4 и свободные нейтроны с сильным выделением энергии. При этом все вещество дрейфует по тороидальной камере и удерживается в ней, не соприкасаясь со стенами, при помощи магнитов. Далее сформированная плазма наблюдается при помощи ряда других инструментов.

Наблюдение плазмы

Наблюдение разогретого вещества будет производиться несколькими методами:

• При помощи интерферометров, которые будут измерять средние плотности электронов в установке.
• Ленгмюровские зонды – позволят измерить плотность электронов и температуру в крайних слоях плазменного кольца. Такой зонд представляет собой электрический проводник, один конец которого располагается в плазме и взаимодействует с заряженными частицами. Преимущество зонда – контактный метод, позволяющий определить параметры плазмы локально. Однако, недостаток – возмущение плазмы, по этой причине их используют лишь для измерения внешних слоев плазмы.
• Электронная циклотронная эмиссионная диагностика. Понимание этого метода требует специальных знаний, потому, излагая грубо, данная диагностика представляет собой измерение излучения электронов, движущихся циклично по камере.
• Видео и инфракрасные камеры – измеряют параметры крайних слоев плазмы и нагрев компонентов.

Однако измерение параметров поверхности потока вступило в игру до производства первой плазмы. В дальнейшем в эксперимент будут внедрять новые средства измерения параметров плазмы, в числе которых различные спектрометры, болометры, рефлектометры и прочие.

Итоги работы W7-X и дальнейшая перспектива

Первая водородная плазма, полученная в W7-X в 2016-м году, существовала на протяжении четверти секунды и достигала температуры в 80 миллионов градусов. Последующая оптимизация работы установки и ее конструкции должна позволить ученым к 2020-му году удерживать плазму в течение 30-ти минут и исследовать посредством нагрева мощностью 10 мегаватт. Подобный эксперимент позволит оценить возможность, а также рентабельность выработки энергии посредством управляемой термоядерной реакции в стелараторах.