Стелларатор

Пример конструкции стелларатора, использованного в эксперименте Вендельштейна 7-X : Ряд магнитных катушек (синие) окружают плазму (желтый). Линия магнитного поля выделена зеленым цветом на желтой поверхности плазмы.

Wendelstein 7-X в Грайфсвальде , Германия. Подготовлены катушки для экспериментального стелларатора.

HSX Стелларатор

Стелларатор — это устройство, удерживающее плазму с помощью внешних магнитов. Ученые, исследующие термоядерный синтез с магнитным удержанием, стремятся использовать стеллараторы в качестве резервуара для реакций ядерного синтеза. Название относится к звездам , поскольку термоядерный синтез происходит и в таких звездах, как Солнце . Это одно из первых термоядерных устройств, наряду с z-пинчем и магнитным зеркалом .

Стелларатор был изобретен американским ученым Лайманом Спитцером из Принстонского университета в 1951 году, и большая часть его ранних разработок была выполнена его командой в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Модель А Лаймана начала работу в 1953 году и продемонстрировала удержание плазмы. Затем последовали более крупные модели, но они продемонстрировали плохую производительность, теряя плазму со скоростью, намного большей, чем предполагалось теоретически. К началу 1960-х годов всякая надежда на быстрое создание коммерческой машины угасла, и внимание переключилось на изучение фундаментальной теории плазмы высоких энергий. К середине 1960-х годов Спитцер был убежден, что стелларатор соответствует скорости диффузии Бома , а это означало, что он никогда не станет практичным термоядерным устройством.

Публикация информации о конструкции токамака в СССР в 1968 году свидетельствовала о скачке производительности. После бурных дебатов в промышленности США компания PPPL преобразовала стелларатор модели C в симметричный токамак (ST), чтобы подтвердить или опровергнуть эти результаты. ST подтвердил их, и крупномасштабная работа над концепцией стелларатора закончилась в США, поскольку токамак привлек к себе большую часть внимания в течение следующих двух десятилетий. Исследования конструкции продолжались в Германии и Японии, где было построено несколько новых конструкций.

В конечном итоге оказалось, что токамак имеет те же проблемы, что и стеллараторы, но по другим причинам. С 1990-х годов к конструкции стелларатора возобновился интерес. Новые методы строительства увеличили качество и мощность магнитных полей, улучшив производительность. Для проверки этих концепций был создан ряд новых устройств. Основные примеры включают Wendelstein 7-X в Германии, спирально-симметричный эксперимент (HSX) в США и большое спиральное устройство в Японии.

История

Предыдущая работа

В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми достигли термоядерного синтеза на Земле, используя ускоритель частиц для стрельбы ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий , литий или другие элементы. Эти эксперименты позволили им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза ядер и определить, что реакция трития-дейтерия происходит при более низкой энергии, чем любое другое топливо, с пиком около 100 000 электронвольт (100 кэВ).

100 кэВ соответствует температуре около миллиарда Кельвинов . Согласно статистике Максвелла-Больцмана , объемный газ при гораздо более низкой температуре все равно будет содержать некоторые частицы с гораздо более высокими энергиями. Поскольку реакции синтеза выделяют так много энергии, даже небольшое количество этих реакций может выделить достаточно энергии, чтобы поддерживать газ при необходимой температуре. В 1944 году Энрико Ферми продемонстрировал, что это произойдет при объемной температуре около 50 миллионов Цельсия, все еще очень высокой, но в пределах диапазона существующих экспериментальных систем. Ключевой проблемой было удержание такой плазмы; ни один контейнер из материала не мог выдержать такие температуры. Но поскольку плазма электропроводна, на нее действуют электрические и магнитные поля, что дает ряд решений.

В магнитном поле электроны и ядра плазмы окружают магнитные силовые линии. Одним из способов обеспечения некоторой изоляции было бы размещение трубки с топливом внутри открытого сердечника соленоида . Соленоид создает магнитные линии, проходящие по его центру, и топливо будет удерживаться вдали от стенок, вращаясь вокруг этих силовых линий. Но такое расположение не удерживает плазму по длине трубки. Очевидным решением является согнуть трубку в форме тора (пончика), чтобы любая линия образовывала круг, и частицы могли вращаться вечно.

Однако на самом деле это решение не работает. По чисто геометрическим причинам магниты, окружающие тор, расположены ближе друг к другу на внутренней кривой, внутри «отверстия от бублика». Ферми заметил, что это приведет к отходу электронов от ядер, что в конечном итоге приведет к их разделению и возникновению больших напряжений. Возникающее электрическое поле заставит плазменное кольцо внутри тора расширяться, пока не достигнет стенок реактора.

Стелларатор

После Второй мировой войны ряд исследователей начали рассматривать различные способы удержания плазмы. Джордж Пэджет Томсон из Имперского колледжа Лондона предложил систему, ныне известную как z-пинч , которая пропускает ток через плазму. Благодаря силе Лоренца этот ток создает магнитное поле, которое втягивает плазму в себя, удерживая ее от стенок реактора. Это устраняет необходимость в магнитах снаружи и позволяет избежать проблемы, которую заметил Ферми. К концу 1940-х годов различные группы в Великобритании построили ряд небольших экспериментальных устройств, используя эту технику.

Другим человеком, работавшим над управляемыми термоядерными реакторами, был Рональд Рихтер , немецкий учёный, переехавший в Аргентину после войны. Его термотрон использовал систему электрических дуг и механического сжатия (звуковых волн) для нагрева и удержания. Он убедил Хуана Перона профинансировать разработку экспериментального реактора на изолированном острове недалеко от границы с Чили. Проект, известный как « Проект Хуэмул» , был завершен в 1951 году. Рихтер вскоре убедил себя, что синтез был достигнут, несмотря на то, что другие люди, работавшие над проектом, не соглашались с этим. Об «успехе» Перон объявил 24 марта 1951 года, и он стал темой газетных статей по всему миру.

Готовясь к лыжной поездке в Аспен, Лайману Спитцеру позвонил его отец и упомянул статью о Хуэмуле в The New York Times . Просматривая описание в статье, Спитцер пришел к выводу, что оно не может работать; система просто не могла обеспечить достаточно энергии для нагрева топлива до температур термоядерного синтеза. Но идея запомнилась ему, и он начал рассматривать системы, которые могли бы работать. Катаясь на подъемнике , он придумал концепцию стелларатора.

Основная концепция заключалась в том, чтобы изменить компоновку тора так, чтобы она решала проблемы Ферми за счет геометрии устройства. Скручивая один конец тора по сравнению с другим, образуя схему в виде восьмерки вместо круга, магнитные линии больше не перемещались по трубке с постоянным радиусом, а вместо этого перемещались все ближе и дальше от центра тора. Частица, вращающаяся вокруг этих линий, обнаружила бы, что постоянно движется внутрь и наружу через малую ось тора. Дрейф вверх, пока он проходил через одну секцию реактора, через половину орбиты сменится на противоположный, и он снова начнет дрейфовать вниз. Отмена не была идеальной, но оказалось, что это настолько уменьшит чистую скорость дрейфа, что топливо останется в ловушке достаточно долго, чтобы нагреть его до необходимых температур.

Его описание 1958 года было простым и прямым:

Магнитное удержание в стеллараторе основано на сильном магнитном поле, создаваемом соленоидальными катушками, окружающими тороидальную трубку. Конфигурация характеризуется «вращательным преобразованием», когда одна линия магнитной силы, проходящая вокруг системы, пересекает плоскость поперечного сечения в точках, которые последовательно вращаются вокруг магнитной оси. ... Вращательное преобразование может быть создано либо с помощью соленоидального поля в скрученной трубке, имеющей форму восьмерки, либо с помощью дополнительного поперечного мультиполярного спирального поля со спиральной симметрией.

Маттерхорн

Работая в Лос-Аламосе в 1950 году, Джон Уиллер предложил создать в Принстонском университете секретную исследовательскую лабораторию , которая бы продолжила теоретические работы по водородным бомбам после его возвращения в университет в 1951 году. Спитцера пригласили присоединиться к этой программе, учитывая его предыдущий опыт работы. исследования межзвездной плазмы.

Но ко времени поездки в Аспен Спитцер потерял интерес к конструкции бомбы, а по возвращении полностью сосредоточил свое внимание на термоядерном синтезе как источнике энергии. В течение следующих нескольких месяцев Спитцер подготовил серию отчетов, в которых излагалась концептуальная основа стелларатора, а также потенциальные проблемы. Сериал отличается своей глубиной; он не только включал подробный анализ математики плазмы и ее стабильности, но также очерчивал ряд дополнительных проблем, таких как нагрев плазмы и борьба с примесями.

Завершив эту работу, Спитцер начал лоббировать в Комиссии по атомной энергии США (AEC) финансирование разработки системы. Он изложил план, состоящий из трех этапов. Первый предполагал создание Модели А, целью которой было продемонстрировать, что плазма может быть создана и что время ее удержания лучше, чем у тора . Если бы модель A была успешной, модель B попыталась бы нагреть плазму до температур термоядерного синтеза. За этим последует модель C, которая попытается реально создать реакции синтеза в больших масштабах. Ожидалось, что вся эта серия займет около десяти лет.

Примерно в то же время Джим Так познакомился с концепцией пинч во время работы в лаборатории Кларендона Оксфордского университета . Ему предложили работу в США, и в конце концов он оказался в Лос-Аламосе, где познакомил с этой концепцией других исследователей. Когда он услышал, что Спитцер продвигает стелларатор, он также поехал в Вашингтон, чтобы предложить создать пинч-устройство. Он считал планы Спитцера «невероятно амбициозными». Тем не менее, Спитцеру удалось получить финансирование от AEC в размере 50 000 долларов, а Так ничего не получил.

Принстонская программа была официально создана 1 июля 1951 года. Спитцер, заядлый альпинист, предложил название « Проект Маттерхорн », потому что он чувствовал, что «предстоящая работа казалась трудной, как восхождение на гору». Первоначально были созданы две секции: секция S работала над стелларатором под руководством Спитцера, а секция B работала над конструкцией бомбы под руководством Уиллера. Маттерхорн был основан в новом кампусе Форрестол Принстона, участке земли площадью 825 акров (334 га), который университет приобрел у Рокфеллеровского института медицинских исследований, когда Рокфеллер переехал на Манхэттен . Земля располагалась примерно в 3 милях (4,8 км) от главного кампуса Принстона и уже имела шестнадцать лабораторных зданий. Спитцер организовал сверхсекретную секцию S в бывшей кроличьей клетке.

Вскоре другие лаборатории начали агитировать за собственное финансирование. Таку удалось организовать некоторое финансирование для своего «Возможнотрона» за счет отдельных бюджетов LANL, но другие команды в LANL, Беркли и Ок-Ридже (ORNL) также представили свои идеи. В конечном итоге AEC организовал новый отдел для всех этих проектов, получивший название «Проект Шервуд».

Ранние устройства

При финансовой поддержке AEC Спитцер начал работу, пригласив Джеймса Ван Аллена присоединиться к группе и создать экспериментальную программу. Аллен предложил начать с небольшого «настольного» устройства. Это привело к созданию модели A, строительство которой началось в 1952 году. Она была изготовлена ​​из 5-сантиметровых (2,0 дюйма) трубок из пирекса общей длиной около 350 см (11,5 футов) и магнитов, способных выдерживать силу около 1000 Гаусс. Машина начала работу в начале 1953 года и ясно продемонстрировала улучшенное удержание по сравнению с простым тором.

Это привело к созданию модели B, у которой была проблема: магниты были плохо установлены и имели тенденцию перемещаться, когда они были подключены к максимальной мощности в 50 000 Гаусс. Вторая конструкция также потерпела неудачу по той же причине, но эта машина продемонстрировала рентгеновские лучи напряжением в несколько сотен киловольт, что предполагало хорошее удержание. Уроки этих двух проектов привели к созданию B-1, в котором использовался омический нагрев (см. ниже) для достижения температуры плазмы около 100 000 градусов. Эта машина продемонстрировала, что примеси в плазме вызывают сильное рентгеновское излучение, которое быстро охлаждает плазму. В 1956 году B-1 был переоборудован системой сверхвысокого вакуума для уменьшения примесей, но выяснилось, что даже при меньших количествах они по-прежнему представляют собой серьезную проблему. Еще один эффект, замеченный в B-1, заключался в том, что во время процесса нагрева частицы оставались удерживаемыми всего несколько десятых миллисекунды, тогда как после выключения поля любые оставшиеся частицы удерживались в течение 10 миллисекунд. По-видимому, это произошло из-за «кооперативных эффектов» внутри плазмы.

Тем временем строилась вторая машина, известная как В-2. Это было похоже на машину B-1, но использовало импульсную мощность, позволяющую достичь более высокой магнитной энергии, и включало вторую систему нагрева, известную как магнитная накачка. Эта машина также была модифицирована с добавлением системы сверхвысокого вакуума. К сожалению, B-2 продемонстрировал небольшой нагрев от магнитной накачки, что не было совершенно неожиданным, поскольку этот механизм требовал более длительного времени удержания, а этого не удалось достичь. Поскольку оказалось, что из этой системы в ее нынешнем виде мало что можно извлечь, в 1958 году ее отправили на выставку «Атом для мира» в Женеве . Однако когда система нагрева была модифицирована, связь резко возросла, продемонстрировав температуру внутри секции нагрева до 1000 электронвольт (160 аДж).

Для изучения импульсного режима были построены две дополнительные машины. B-64 был построен в 1955 году и представлял собой, по существу, увеличенную версию машины B-1, но питавшуюся от импульсов тока силой до 15 000 Гаусс. Эта машина включала в себя дивертор , который удалял примеси из плазмы, значительно уменьшая эффект охлаждения рентгеновскими лучами, наблюдавшийся на более ранних машинах. B-64 имел прямые участки на изогнутых концах, что придавало ему квадратный вид. Этот внешний вид привел к ее названию: это была «восьмерка в квадрате», или 8 в квадрате, или 64. Это привело к экспериментам в 1956 году, когда машина была повторно собрана без перекручивания трубок, что позволяло частицам путешествовать. без вращения.

В-65, построенный в 1957 году, был построен по новой «гоночной» компоновке. Это стало результатом наблюдения, что добавление спиральных катушек к изогнутым частям устройства создавало поле, которое приводило к вращению исключительно за счет возникающих магнитных полей. Это имело дополнительное преимущество: магнитное поле включало сдвиг , который, как известно, улучшал стабильность. B-3, также построенный в 1957 году, представлял собой значительно увеличенную машину B-2 со сверхвысоким вакуумом и импульсным удержанием до 50 000 гаусс и расчетным временем удержания до 0,01 секунды. Последней из машин серии B был B-66, построенный в 1958 году, который по сути представлял собой сочетание гоночной компоновки B-65 с большими размерами и энергией B-3.

К сожалению, все эти более крупные машины продемонстрировали проблему, которая стала известна как « откачка ». Этот эффект вызывал скорости дрейфа плазмы, которые были не только выше, чем предполагала классическая теория, но и намного превышали скорости Бома. Скорость дрейфа B-3 была в три раза выше, чем наихудший прогноз Бома, и он не смог поддерживать удержание более нескольких десятков микросекунд.

Модель С

Основная статья: Стелларатор модели C

Уже в 1954 году, когда продолжались исследования машин серии B, конструкция устройства модели C становилась все более определенной. Он представлял собой большую машину гоночного типа с несколькими источниками нагрева и дивертором, по сути, еще более крупный B-66. Строительство началось в 1958 году и было завершено в 1961 году. Его можно было отрегулировать так, чтобы малая ось плазмы составляла от 5 до 7,5 сантиметров (2,0–3,0 дюйма), а длина составляла 1200 см (470 дюймов). Катушки тороидального поля обычно работали при 35 000 гаусс.

К тому времени, когда Модель C начала работу, информация, собранная с предыдущих машин, дала понять, что она не сможет производить крупномасштабный термоядерный синтез. Транспорт ионов через силовые линии магнитного поля был намного выше, чем предполагала классическая теория. Значительно увеличенные магнитные поля более поздних машин мало что сделали для решения этой проблемы, а время заключения просто не улучшилось. Внимание стало уделяться гораздо большему вниманию теоретическому пониманию плазмы. В 1961 году Мелвин Б. Готлиб взял на себя управление проектом Маттерхорн у Спитцера, а 1 февраля проект был переименован в Принстонскую лабораторию физики плазмы (PPPL).

Постоянные модификации и эксперименты над Моделью C постепенно улучшали ее работу, и время удержания в конечном итоге увеличилось, чтобы соответствовать предсказаниям Бома. Были использованы новые версии систем отопления, которые медленно повышали температуру. Примечательным среди них было добавление в 1964 году небольшого ускорителя частиц для ускорения ионов топлива до достаточно высокой энергии, чтобы они могли пересекать магнитные поля, выделяя энергию внутри реактора, когда они сталкивались с другими ионами, уже находящимися внутри. Этот метод нагрева, ныне известный как инжекция нейтрального луча , с тех пор стал почти универсальным для термоядерных машин с магнитным удержанием.

Модель C большую часть своей истории занималась исследованиями ионного транспорта. Благодаря постоянной настройке магнитной системы и добавлению новых методов нагрева в 1969 году Модель C в конечном итоге достигла температуры электронов 400 эВ.

Другие подходы

За этот период появился ряд новых потенциальных конструкций стеллараторов с упрощенной магнитной схемой. В модели C использовались отдельные удерживающие и спиральные катушки, поскольку это был эволюционный процесс по сравнению с оригинальной конструкцией, в которой использовались только удерживающие катушки. Другие исследователи, особенно в Германии, отметили, что такая же общая конфигурация магнитного поля может быть достигнута с помощью гораздо более простой конструкции. Это привело к созданию торсатрона или гелиотрона .

В этих конструкциях первичное поле создается одним спиральным магнитом, аналогичным одной из винтовых обмоток «классического» стелларатора. В отличие от этих систем, нужен только один магнит, и он намного больше, чем в стеллараторах. Чтобы создать чистое поле, второй набор катушек, полоидально вращающихся вокруг спирального магнита, создает второе вертикальное поле, которое смешивается со спиральным магнитом. В результате получается гораздо более простая компоновка, поскольку полоидальные магниты, как правило, намного меньше, и между ними достаточно места, чтобы достичь внутренней части, тогда как в исходной компоновке тороидальные удерживающие магниты относительно велики и оставляют мало места между ними.

Дальнейшее обновление появилось благодаря осознанию того, что общее поле может быть создано с помощью ряда независимых магнитов, имеющих форму локального поля. В результате получается серия сложных магнитов, расположенных как тороидальные катушки исходной конструкции. Преимущество этой конструкции в том, что магниты полностью независимы; если один из них поврежден, его можно заменить отдельно, не затрагивая остальную часть системы. Кроме того, можно изменить общий макет поля, заменив элементы. Эти «модульные катушки» сейчас являются основной частью продолжающихся исследований.

Токамак давка

В 1968 году ученые Советского Союза опубликовали результаты работы своих токамаков , в частности, новейшего экземпляра Т-3. Результаты были настолько поразительными, что вызвали широко распространенный скептицизм. Чтобы решить эту проблему, Советы пригласили группу экспертов из Великобритании, чтобы они испытали машины на себе. Их испытания, проведенные с использованием лазерной системы, разработанной для реактора ZETA в Англии, подтвердили советские заявления о температуре электронов в 1000 эВ. За этим последовала «настоящая давка» в строительстве токамаков по всему миру.

Сначала лаборатории США игнорировали токамак; Сам Спитцер сразу же отверг это как экспериментальную ошибку. Однако по мере поступления новых результатов, особенно отчетов из Великобритании, Принстон оказался в ситуации, когда он пытался защитить стелларатор как полезную экспериментальную машину, в то время как другие группы со всего США требовали средств для создания токамаков. В июле 1969 года Готлиб передумал и предложил переоборудовать Модель C в схему токамака. В декабре он был закрыт и вновь открыт в мае как Симметричный токамак (СТ).

ST сразу же сравнялся по производительности с советскими машинами, превзойдя результаты модели C более чем в десять раз. С этого момента компания PPPL стала основным разработчиком токамака в США, представив серию машин для тестирования различных конструкций и модификаций. Princeton Large Torus 1975 года быстро достиг нескольких показателей производительности, необходимых для коммерческой машины, и широко распространено мнение, что критический порог безубыточности будет достигнут в начале 1980-х годов. Нужны были более крупные машины и более мощные системы для нагрева плазмы до температур термоядерного синтеза.

Токамаки — это тип пинч-машины, отличающийся от более ранних конструкций прежде всего величиной тока в плазме: выше определенного порога, известного как коэффициент запаса прочности , или q , плазма становится гораздо более стабильной. ZETA побежал на q вокруг 1 ⁄ 3 , тогда как эксперименты на токамаках показали, что оно должно быть не менее 1. Машины, следующие этому правилу, показали значительно улучшенную производительность. Однако к середине 1980-х годов легкий путь к синтезу исчез; по мере того, как сила тока в новых машинах начала увеличиваться, появился новый набор нестабильностей в плазме. Их можно решить, но только значительно увеличив мощность магнитных полей, что потребует сверхпроводящих магнитов и огромных удерживающих объемов. Стоимость такой машины была такова, что участвующие стороны объединились, чтобы начать проект ИТЭР .

возвращается

По мере того как проблемы с подходом токамака росли, интерес к подходу стелларатора возобновился. Это совпало с разработкой передовых инструментов компьютерного планирования, которые позволили создавать сложные магниты, которые были ранее известны, но считались слишком сложными для проектирования и изготовления.

Новые материалы и методы строительства повысили качество и мощность магнитных полей, улучшив производительность. Для проверки этих концепций были созданы новые устройства. Основные примеры включают Wendelstein 7-X в Германии, спирально-симметричный эксперимент (HSX) в США и большое спиральное устройство в Японии. W7X и LHD используют сверхпроводящие магнитные катушки .

Отсутствие внутреннего тока устраняет некоторые нестабильности токамака, а значит, стелларатор должен быть более стабильным в аналогичных условиях эксплуатации. С другой стороны, поскольку ему не хватает удержания тока, обнаруженного в токамаке, стелларатору требуются более мощные магниты для достижения любого заданного удержания. Стелларатор по своей сути является стационарной машиной, имеющей ряд преимуществ с инженерной точки зрения.

сектора

В рамках возобновленного стремления к термоядерной энергетике примерно с 2018 года появились проекты стеллараторов частного сектора, которые по количеству конкурируют с проектами токамаков, хотя и гораздо менее развиты, чем например, Ренессанс Фьюжн и Proxima Fusion, мюнхенское подразделение Института физики плазмы Макса Планка, которое руководило экспериментом W7-X.

Основные понятия

Требования к слиянию

Нагревание газа увеличивает энергию частиц внутри него, поэтому, нагревая газ до сотен миллионов градусов, большинство частиц внутри него достигают энергии, необходимой для слияния. Согласно распределению Максвелла-Больцмана , некоторые частицы достигнут требуемых энергий при гораздо более низких средних температурах. Поскольку энергия, выделяемая в результате реакции синтеза, намного превышает энергию, необходимую для ее начала, даже небольшое количество реакций может нагревать окружающее топливо до тех пор, пока оно также не расплавится. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что реакция DT будет самоподдерживающейся при температуре около 50 000 000 градусов по Цельсию (90 000 000 градусов по Фаренгейту).

Материалы, нагретые выше нескольких десятков тысяч градусов, ионизируются на свои электроны и ядра , образуя газообразное состояние вещества, известное как плазма . Согласно закону идеального газа , как и любой горячий газ, плазма имеет внутреннее давление и поэтому хочет расширяться. Задача термоядерного реактора состоит в том, чтобы удерживать плазму. В магнитном поле электроны и ядра вращаются вокруг силовых линий магнитного поля, ограничивая их областью, определяемой полем.

Магнитное удержание

Простую систему локализации можно создать, поместив трубку внутрь открытого сердечника соленоида . Трубку можно откачать, а затем заполнить необходимым газом и нагреть до тех пор, пока он не превратится в плазму. Плазма, естественно, хочет расширяться наружу к стенкам трубки, а также двигаться вдоль нее к концам. Соленоид создает линии магнитного поля, проходящие по центру трубки, и частицы плазмы вращаются вокруг этих линий, предотвращая их движение в стороны. К сожалению, такая конструкция не будет ограничивать плазму по длине трубки, и плазма сможет свободно вытекать из концов.

Очевидным решением этой проблемы является согнуть трубку в форме тора (кольца или бублика). Движение в стороны по-прежнему остается скованным, и хотя частицы остаются свободными в движении вдоль линий, в этом случае они будут просто циркулировать вокруг длинной оси трубки. Но, как заметил Ферми, когда соленоид согнут в кольцо, электрические обмотки будут ближе друг к другу внутри, чем снаружи. Это приведет к неравномерности поля поперек трубки, и топливо будет медленно уходить из центра. Поскольку электроны и ионы будут дрейфовать в противоположных направлениях, это приведет к разделению зарядов и возникновению электростатических сил, которые в конечном итоге преодолеют магнитную силу. Чтобы противодействовать этому дрейфу, необходимы дополнительные силы, обеспечивающие долгосрочное сдерживание .

Концепция Стелларатора

Ключевая концепция Спитцера в конструкции стелларатора заключается в том, что дрейф, который заметил Ферми, можно устранить за счет физического устройства вакуумной трубки. В торе частицы на внутреннем крае трубки, где поле сильнее, будут дрейфовать вверх, а частицы на внешнем - вниз (или наоборот). Однако если частицу заставить попеременно перемещаться то внутри, то снаружи трубки, то дрейфы будут чередоваться то вверх, то вниз и нейтрализоваться. Компенсация не идеальна, оставляя некоторый чистый дрейф, но базовые расчеты показывают, что дрейф будет достаточно снижен, чтобы удерживать плазму достаточно долго и достаточно ее нагревать.

Предложение Спитцера сделать это было простым. Вместо обычного тора устройство по сути разрежут пополам, чтобы получить два полутора. Затем они будут соединены двумя прямыми участками между открытыми концами. Ключевым моментом было то, что они были соединены разными концами так, чтобы правая половина одного из торов была соединена с левой частью другого. Получившаяся конструкция напоминала восьмерку, если смотреть сверху. Поскольку прямые трубки не могли проходить друг через друга, конструкция не лежала ровно, торы на обоих концах приходилось наклонять. Это означало, что подавление дрейфа еще больше уменьшилось, но расчеты опять же показали, что система будет работать.

Чтобы понять, как система противодействует дрейфу, рассмотрим путь отдельной частицы в системе, начинающийся на одном из прямых участков. Если эта частица идеально отцентрирована в трубке, она пройдет по центру в один из полуторов, выйдет в центр следующей трубки и так далее. Эта частица совершит оборот вокруг всего реактора, не покидая центра. Теперь рассмотрим еще одну частицу, движущуюся параллельно первой, но первоначально находившуюся вблизи внутренней стенки трубки. В этом случае он войдет во внешний край полутора и начнет дрейфовать вниз. Он выходит из этого участка и входит во второй прямой участок, все еще на внешнем крае этой трубы. Однако, поскольку трубки перекрещены, когда он достигает второго полутора, он входит в него по внутреннему краю. Проходя через этот участок, он поднимается обратно вверх.

Этот эффект уменьшит одну из основных причин сноса машины, но следует учитывать и другие. Хотя ионы и электроны в плазме будут вращаться вокруг магнитных линий, они будут делать это в противоположных направлениях и с очень высокими скоростями вращения. Это приводит к возможности столкновений частиц, вращающихся по разным силовым линиям, при их циркуляции через реактор, что по чисто геометрическим причинам приводит к медленному дрейфу топлива наружу. Этот процесс в конечном итоге приводит к тому, что топливо либо сталкивается со структурой, либо вызывает большое разделение зарядов между ионами и электронами. Спитцер представил концепцию дивертора — магнита, помещенного вокруг трубки, который отрывал самый внешний слой плазмы. Это позволит удалить ионы до того, как они уйдут слишком далеко и ударятся о стены. Это также удалит любые более тяжелые элементы из плазмы.

Используя классические расчеты, скорость диффузии в результате столкновений была достаточно низкой и была намного ниже, чем дрейф из-за неравномерности полей в нормальном тороиде. Но более ранние исследования магнитно-удерживаемой плазмы в 1949 году продемонстрировали гораздо более высокие потери и стали известны как диффузия Бома . Спитцер приложил значительные усилия, рассматривая этот вопрос, и пришел к выводу, что аномальная скорость, наблюдаемая Бомом, была вызвана нестабильностью плазмы, с которой, по его мнению, можно было справиться.

Альтернативные конструкции

Одна из основных проблем первоначальной концепции стелларатора заключается в том, что магнитные поля в системе будут должным образом удерживать только частицу заданной массы, движущуюся с заданной скоростью. Частицы, движущиеся быстрее или медленнее, не будут циркулировать желаемым образом. Частицы с очень низкой скоростью (соответствующей низким температурам) не удерживаются и могут дрейфовать к стенкам трубы. Те, у кого слишком много энергии, могут удариться о внешние стены изогнутых секций. Чтобы решить эти проблемы, Спитцер представил концепцию дивертора , который подключался к одному из прямых участков. По сути, это был масс-спектрометр , который удалял частицы, которые двигались слишком быстро или слишком медленно для надлежащего удержания.

Физическое ограничение, заключающееся в том, что две прямые секции не могут пересекаться, означает, что поворотное преобразование внутри контура не составляет идеальных 180 градусов, а обычно ближе к 135 градусам. Это привело к созданию альтернативных конструкций с целью приблизить угол к 180. Первая попытка была встроена в Stellarator B-2, в котором обе изогнутые секции располагались ровно по отношению к земле, но на разной высоте. В ранее прямые участки были добавлены дополнительные изгибы, две секции под углом около 45 градусов, поэтому теперь они образовывали вытянутую S-образную форму. Это позволило им двигаться вокруг друг друга, оставаясь при этом совершенно симметричными с точки зрения углов.

Лучшее решение проблемы необходимости вращения частиц было представлено в Stellarator B-64 и B-65. Они устранили перекрестие и превратили устройство в овал или, как они его называли, гоночную трассу. Вращение частиц было введено путем размещения нового набора магнитных катушек на полуторе с обоих концов — витков штопора . Поле этих катушек смешивается с исходными удерживающими полями, образуя смешанное поле, которое поворачивает силовые линии на 180 градусов. Это значительно упростило механическую конструкцию реактора, но на практике выяснилось, что смешанное поле очень сложно создать идеально симметричным образом.

В современных конструкциях стеллараторов обычно используется более сложная серия магнитов для создания поля единой формы. Обычно это выглядит как скрученная лента. Различия между конструкциями обычно сводятся к тому, как расположены магниты для создания поля, и к точному расположению результирующего поля. Было разработано большое количество макетов, некоторые из них были протестированы.

Отопление

В отличие от z-пинча или токамака, стелларатор не имеет индуцированного электрического тока внутри плазмы — на макроскопическом уровне плазма нейтральна и неподвижна, несмотря на то, что отдельные частицы внутри нее быстро циркулируют. В пинч-машинах ток сам по себе является одним из основных методов нагрева плазмы. В стеллараторе такого естественного источника тепла нет.

В ранних конструкциях стеллараторов использовалась система, аналогичная системам в пинч-устройствах, обеспечивающая первоначальный нагрев и доведение газа до температуры плазмы. Он состоял из одного набора обмоток трансформатора , причем сама плазма составляла вторичный набор. При подаче импульса тока частицы в этой области быстро заряжаются и начинают двигаться. Это приводит к попаданию в регион дополнительного газа, быстро ионизуя всю массу газа. Эту концепцию назвали омическим нагревом, потому что она основывалась на сопротивлении газа для создания тепла, что мало чем отличается от обычного нагревателя сопротивления . С повышением температуры газа проводимость плазмы улучшается. Это делает процесс омического нагрева все менее эффективным, и данная система ограничена температурой около 1 миллиона Кельвинов.

Чтобы нагреть плазму до более высоких температур, Спитцер предложил второй источник тепла — систему магнитной накачки . Он состоял из источника радиочастот, питаемого через катушку, расположенную вдоль вакуумной камеры. Частота выбирается аналогичной собственной частоте частиц вокруг магнитных силовых линий, циклотронной частоте . Это заставляет частицы в этой области набирать энергию, что заставляет их вращаться по орбите в более широком радиусе. Поскольку другие частицы вращаются поблизости от своих собственных линий, на макроскопическом уровне это изменение энергии проявляется как увеличение давления. Согласно закону идеального газа , это приводит к повышению температуры. Как и омический нагрев, этот процесс также становится менее эффективным по мере повышения температуры, но все же способен создавать очень высокие температуры. Когда частота намеренно устанавливается близкой к частоте циркуляции ионов, это называется нагревом ионно-циклотронного резонанса . хотя в то время этот термин не получил широкого распространения.

Врожденные проблемы

Работа над новой на тот момент концепцией токамака в начале 1970-х годов, в частности Тихиро Окава из General Atomics , предполагала, что тороиды с меньшим соотношением сторон и некруглой плазмой будут иметь значительно улучшенные характеристики. Соотношение сторон — это сравнение радиуса устройства в целом с радиусом поперечного сечения вакуумной трубки. В идеальном реакторе не было бы отверстия в центре, что сводило бы к минимуму соотношение сторон. Современный сферический токамак доводит это до практического предела, уменьшая центральное отверстие до одной металлической стойки, удлиняя поперечное сечение трубки по вертикали, создавая общую форму, близкую к сферической, с коэффициентом меньше 2. MAST Устройство в Великобритании, среди самых мощных подобных конструкций, имеет коэффициент 1,3.

Стеллараторам обычно требуются сложные магниты для создания желаемого поля. В ранних примерах это часто было в виде нескольких разных наборов магнитов, сложенных друг на друга. В то время как современные проекты объединяют их вместе, полученные конструкции часто требуют значительного пространства вокруг себя. Это ограничивает размер внутреннего радиуса намного большим, чем у современных токамаков, поэтому они имеют относительно большие соотношения сторон. Например, W7-X имеет соотношение сторон 10, что приводит к очень большому общему размеру. Есть несколько новых макетов, направленных на уменьшение соотношения сторон, но по состоянию на 2023 год они остаются непроверенными. и снижение все еще далеко от уровня, наблюдаемого в современных токамаках.

В производственной конструкции магниты необходимо будет защитить от нейтронов с энергией 14,1 МэВ , образующихся в результате реакций термоядерного синтеза. Обычно это достигается за счет использования воспроизводящего слоя – слоя материала, содержащего большое количество лития . Чтобы захватить большую часть нейтронов, бланкет должен иметь толщину от 1 до 1,5 метров, что отодвигает магниты от плазмы и, следовательно, требует, чтобы они были более мощными, чем магниты на экспериментальных машинах, где они располагаются снаружи вакуума. камера напрямую. Обычно эту проблему решают путем масштабирования машины до чрезвычайно больших размеров, так что расстояние в ~10 см, встречающееся в машинах меньшего размера, линейно масштабируется примерно до 1 метра. В результате машина становится намного больше и достигает непрактичных размеров. Проекты с меньшим соотношением сторон, которые масштабируются быстрее, могли бы в некоторой степени устранить этот эффект, но конструкции таких систем, как ARIES-CS, огромны, около 8 метров в радиусе с относительно высоким соотношением сторон, около 4,6.

Сложные магниты стелларатора объединяются, создавая поле желаемой формы. Это требует чрезвычайно жестких допусков на позиционирование, что увеличивает затраты на строительство. Именно эта проблема привела к отмене Национального эксперимента по компактному стелларатору в США , или NCSX, который представлял собой экспериментальную конструкцию с малым удлинением и коэффициентом 4,4. Для правильной работы максимальное отклонение размещения по всей машине составляло 1,5 миллиметра (0,059 дюйма). При сборке этого добиться оказалось невозможно, даже естественное провисание компонентов с течением времени превышало допустимый предел. Строительство было отменено в 2008 году, что поставило под сомнение будущее PPPL.

Наконец, ожидается, что конструкции стеллараторов будут давать утечку около 5% генерируемых альфа-частиц , увеличивая нагрузку на компоненты реактора, обращенные к плазме.

Плазменный нагрев

Есть несколько способов нагреть плазму (это необходимо сделать до того, как произойдет воспламенение).

Текущее отопление

Плазма электропроводна и нагревается при прохождении через нее тока (из-за электрического сопротивления). Используется только для начального нагрева, так как сопротивление обратно пропорционально температуре плазмы.

Высокочастотные электромагнитные волны

Плазма поглощает энергию, когда на нее воздействуют электромагнитные волны (так же, как еда в микроволновой печи).

Нагрев нейтральными частицами

Инжектор пучка нейтральных частиц создает ионы и ускоряет их электрическим полем. Чтобы избежать воздействия магнитного поля Стелларатора, ионы необходимо нейтрализовать. Затем нейтрализованные ионы вводятся в плазму. Их высокая кинетическая энергия передается частицам плазмы при столкновениях, нагревая их.

Конфигурации

Эскиз классического стелларатора со спиральными катушками (белый) и катушками тороидального поля (зеленый)

Существует несколько различных конфигураций стелларатора, в том числе:

Пространственный стелларатор

Оригинальная конструкция в виде восьмерки, в которой использовалась геометрия для создания вращательного преобразования магнитных полей.

Классический стелларатор

Тороидальная конструкция или конструкция в форме беговой дорожки с отдельными спиральными катушками на обоих концах, обеспечивающими вращение.

Строительство торсатрона АТФ (1986 г.)

Торсатрон

Стелларатор с непрерывными спиральными витками. В нем также можно заменить непрерывные катушки несколькими дискретными катушками, создающими аналогичное поле. Компактный Оберн-Торсатрон в Обернском университете является примером.

Гелиотрон

Стелларатор, в котором спиральная катушка используется для удержания плазмы вместе с парой катушек полоидального поля для создания вертикального поля. Катушки тороидального поля также можно использовать для управления характеристиками магнитной поверхности. Эту конфигурацию использует Большое спиральное устройство в Японии.

Модульный стелларатор

Стелларатор с набором модульных (разделенных) катушек и витой тороидальной катушкой. например, спирально-симметричный эксперимент (HSX) (и Гелиас (ниже))

TJ-II Гелиак

гелиакия

Стелларатор со спиральной осью , в котором магнитная ось (и плазма) следует по винтовой траектории, образуя тороидальную спираль, а не простую форму кольца. Скрученная плазма вызывает скручивание силовых линий магнитного поля, что приводит к подавлению дрейфа, и обычно может обеспечить большее скручивание, чем Торсатрон или Гелиотрон, особенно вблизи центра плазмы (магнитной оси). Оригинальный гелиак состоит только из круглых катушек, а гибкий гелиак ( H-1NF , TJ-II , TU-Heliac ) добавляет небольшую спиральную катушку, позволяющую изменять крутку до 2 раз.

Гелиас

, Усовершенствованный спиральный стелларатор использующий оптимизированный набор модульных катушек, предназначенный для одновременного достижения высокой плазменной температуры, низких токов Пфирша-Шлютера и хорошего удержания энергичных частиц; т.е. альфа-частицы для сценариев с реактором. Helias был предложен как наиболее многообещающая концепция стелларатора для электростанции с модульной конструкцией и оптимизированными свойствами плазмы, МГД и магнитного поля. Устройство Wendelstein 7-X основано на конфигурации Helias с пятью периодами поля.

Последние результаты

Визуализация линий магнитного поля в Wendelstein 7-X

Оптимизация для снижения транспортных потерь

Целью устройств магнитного удержания является минимизация переноса энергии через магнитное поле. Тороидальные устройства относительно успешны, поскольку магнитные свойства, наблюдаемые частицами, усредняются по мере их движения вокруг тора. Однако сила поля, видимого частицей, обычно варьируется, поэтому некоторые частицы захватываются зеркальным эффектом . Эти частицы не смогут так эффективно усреднять магнитные свойства, что приведет к увеличению переноса энергии. В большинстве стеллараторов эти изменения напряженности поля больше, чем в токамаках, что является основной причиной того, что транспорт в стеллараторах имеет тенденцию быть выше, чем в токамаках.

Профессор электротехники Университета Висконсина Дэвид Андерсон и научный сотрудник Джон Каник доказали в 2007 году, что эксперимент со спиральной симметрией (HSX) может преодолеть этот серьезный барьер в исследованиях плазмы. HSX — первый стелларатор, использующий квазисимметричное магнитное поле. Команда спроектировала и построила HSX, предсказывая, что квазисимметрия уменьшит передачу энергии. Как показало последнее исследование команды, именно это она и делает. «Это первая демонстрация того, что квазисимметрия работает, и вы действительно можете измерить получаемое сокращение транспорта», — говорит Каник.

Новый Wendelstein 7-X в Германии был спроектирован так, чтобы быть близким к всегенности (свойству магнитного поля, при котором средний радиальный дрейф равен нулю), что является необходимым, но недостаточным условием квазисимметрии; то есть все квазисимметричные магнитные поля всенаправлены, но не все всеобщие магнитные поля квазисимметричны. Эксперименты на стеллараторе Wendelstein 7-X выявили аномальную диффузию, вызванную турбулентностью. Оптимизированное магнитное поле W7-X продемонстрировало эффективный контроль бутстреп-тока и снижение неоклассического переноса энергии, что обеспечивает условия высокотемпературной плазмы и рекордные значения термоядерного синтеза, а также более длительное время удержания примесей на этапах подавления турбулентности. Эти результаты подчеркивают успех оптимизации магнитного поля в стеллараторах.

концепции

На Wendelstein 7-X островной дивертор успешно стабилизировал сценарии оторвавшейся плазмы и уменьшил тепловые потоки на цели дивертора. Эта топология имеет несколько соседних областей встречного потока, которые могут снизить скорость потока параллельно линиям магнитного поля, что приводит к существенному уменьшению теплового потока. Отвод радиационной энергии за счет внесения примесей был продемонстрирован в конфигурациях островных диверторов, что приводит к стабильной работе плазмы и снижению тепловых нагрузок дивертора. Это делает островной дивертор многообещающим решением для будущего контроля отсоединения в высокопроизводительных сценариях и модернизации металлического дивертора. Краевая магнитная структура в квазивсеродных и спирально-симметричных стеллараторах, таких как W7-X и HSX, оказывает существенное влияние на подачу и выхлоп частиц. Показано, что цепочку магнитных островов можно использовать для управления подачей плазмы из источника рециркуляции и инжекцией активного газа.

МУЗА

Устройство MUSE в Принстонской лаборатории физики плазмы использует в основном готовые детали, такие как постоянные магниты 10К , для создания стелларатора для использования в исследованиях. Магниты встроены в нейлоновую матрицу , напечатанную на 3D-принтере . Он принял метод магнитного поверхностного заряда . Пиковое внутреннее напряжение оказалось менее 7 МПа. Это первый квазиосесимметричный эксперимент .

Ссылки

Библиография

• Азимов, Исаак (1972). Миры внутри миров: история ядерной энергии . Комиссия по атомной энергии США.
• Епископ Амаса (1958). Проект Шервуд; Программа США по управляемому термоядерному синтезу . Книги Аддисона-Уэсли по ядерной науке и металлургии. Аддисон-Уэсли.
• Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс. ISBN  9780262021807 .
• Ландреман, Мэтт; Бузер, Аллен (30 апреля 2017 г.). Возможности и приоритеты теории и вычислений стеллараторов (PDF) . Журнал физики плазмы. Первые рубежи конференции по физике плазмы. Спинето, Италия.
• Марискотти, Марио (1992). «Ранние ядерные дебаты в Аргентине». В Кабрале, Реджис (ред.). Дебаты о ядерных технологиях . Университет Гетеборга. стр. 5–12. ISSN   1101-4466 .
• Герман, Робин (1990). Фьюжн: поиск бесконечной энергии . Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521383738 .
• Джонсон, Джон (декабрь 1982 г.). Стеллараторский подход к тороидальному удержанию плазмы (PDF) (Технический отчет). Принстонский университет, Лаборатория физики плазмы.
• Спитцер, Лайман (23 июля 1951 г.). Предлагаемый Стелларатор (PDF) (Технический отчет). Проект Маттерхорн.
• Спитцер, Лайман (1958). «Концепция Стелларатора». Физика жидкостей . 1 (4): 253–264. Бибкод : 1958PhFl....1..253S . дои : 10.1063/1.1705883 . S2CID   11748652 .
• Кур, Т.; Каннингем, СП; Эллис, РА; Хилд, Массачусетс; Кран, Аризона (сентябрь 1958 г.). «Эксперименты по омическому нагреву и удержанию плазмы в стеллараторе» (PDF) . Физика жидкостей . 1 (5): 411–420. Бибкод : 1958PhFl....1..411C . дои : 10.1063/1.1724358 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 августа 2021 года . Проверено 17 марта 2021 г.
• Стикс, Томас (1998). «Основные моменты ранних исследований стеллараторов в Принстоне» (PDF) . Журнал серии исследований плазменного синтеза . 1 :3–8.
• «Хронология» . Принстонская лаборатория физики плазмы.
• Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2012). Термоядерный синтез: энергия Вселенной . Академическая пресса. ISBN  978-0-12-384657-0 .

Внешние ссылки

• Новости Stellarator от ORNL
• Стеллараторы по всему миру – включая UST-2