Мегаконструкции. Немецкий стелларатор Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X — крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор, который осуществляет управляемый термоядерный синтез. Экспериментальная установка причудливой формы построена в Институте Макса Планка по физике плазмы в Грайсвальде для проверки использования такого типа устройств в качестве термоядерной энергостанции. По некоторым прогнозам, к 2100 году потребление энергии на Земле увеличится примерно в 6 раз. Отдельные специалисты считают, что только термоядерная энергетика способна удовлетворить растущие потребности человечества в энергии.

1 грамм водородного топлива (дейтерий и тритий) в такой установке производит 90 000 кВт⋅ ч энергии, что эквивалентно сжиганию 11 тонн угля.

По мнению экономистов и футурологов, человечеству крайне необходим надёжный и мощный источник энергии. Запасы углеводородов в мире ограничены. Если энергопотребление вырастет в шесть раз к 2100 году, то энергосистема нуждается в реформировании и реструктуризации, и чем быстрее — тем лучше. Термоядерная энергетика представляется хорошим вариантом решения проблемы.

Атомные ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), которые удерживаются вместе сильным взаимодействием. Если добавлять нуклоны в лёгкие ядра или удалять нуклоны из тяжёлых атомов, то разница в энергии связи будет выделяться. Энергия движения частиц переходит в тепловое движение атомов. Таким образом ядерная энергия проявляется в виде нагрева. Изменение состава ядра называется ядерной реакцией. Ядерная реакция с уменьшением количества нуклонов в ядре называется ядерным распадом или делением ядра. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом.

Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В синтезе из лёгких ядер синтезируются тяжёлые. В отличие от цепной ядерной реакции, ядерный синтез носит управляемый характер.

Вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине 20 века, тогда же появились концепции первых реакторов для управляемого термоядерного синтеза, в том числе токамаков и стеллараторов.

До последнего времени учёным не удавалось преодолеть технологические проблемы для доказательства, что управляемый термоядерный синтез действительно можно использовать на практике и такие энергостанции будут рентабельными. Доказать этот факт должны экспериментальные реакторы ITER и Wendelstein 7-X.

В термоядерном реакторе топливо помещается внутрь магнитного поля и разогревается до температуры около 100 миллионов градусов по Цельсию, при которой проходит стабильная управляемая реакция ядерного синтеза.

Стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Название происходит от лат. stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд. Изобретён американским астрофизиком Лайманом Спитцером в 1958 году. Первый образец построен под руководством Спитцера в 1959 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн», который в 1961 году после рассекречивания переименовали в лабораторию физики плазмы Принстонского университета.

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.

Стеллараторы были популярны в 50-х и 60-х годах, но затем внимание научного сообщества переключилось на токамаки, которые показывали более обнадёживающие результаты. Всё изменилось в 21 веке. В связи с мощным развитием компьютерных технологий и компьютерных графических программ была оптимизирована магнитная система стелларатора. В результате появилась совершенно новая конфигурация вращательного преобразования не с двумя обмотками, как во всех предыдущих конструкциях стелларатора, а всего с одной обмоткой. Правда, это обмотка очень хитрой формы.

Зачем стелларатору такая причудливая форма?

Теорема о причёсывании ежа утверждает, что на сфере невозможно выбрать касательное направление в каждой точке, которое определено во всех точках сферы и непрерывно зависит от точки. Неформально говоря, невозможно причесать свернувшегося клубком ежа так, чтобы у него не торчала ни одна иголка — отсюда и упоминание ежа в названии теоремы. Теорема является следствием из теоремы о неподвижной точке, доказанной в 1912 году Брауэром.

Из теоремы о причёсывании ежа следует, среди прочего, что на поверхности планеты всегда есть точка, в которой скорость ветра равна нулю.

Зная о теореме причёсывания ежа, немецкие инженеры спроектировали специфическую форму стелларатора, в которой векторы магнитной индукции «причёсаны» таким образом, чтобы ядерный синтез (образование гелия из водорода) продолжалось по всему замкнутому контуру в центре камеры. Достаточно включить машину — и начинается непрерывный процесс с выделением энергии.

Форма стелларатора выводится именно из математических уравнений теоремы о причёсывании ежа.

Концепция стелларатора Wendelstein 7-X

Форма стелларатора была смоделирована на компьютере, все векторы просчитаны и выверены. Оставался только вопрос: смогут ли инженеры воплотить теорию в жизнь — и на самом деле вылить из металла стелларатор такой необычной формы. Сразу стало ясно, что проект обойдётся очень дорого (по итогу строительство самого стелларатора обошлось в 370 млн евро, а вместе со зданием, зарплатами и другими расходами — 1,08 млрд евро; 80% финансирования взяла на себя Германия, 20% — Евросоюз). Но ставки высоки: источник энергии от термоядерного синтеза сулит революцию в мировой энергетике. Поэтому инженеры приступили к работе.

Сборку стелларатора вели с апреля 2005 года по апрель 2014 года. За девять лет строительства на объект ушло 1,1 миллиона человеко-часов работы. Затем началась техническая подготовка к эксперименту. Проверялась каждая техническая система: вакуумные сосуды, система охлаждения, сверхпроводящие катушки и их магнитное поле, система управления, а также нагревательные приборы и измерительные инструменты.

Обмотка стелларатора Wendelstein 7-X состоит из 50 непланарных и 20 планарных сверхпроводящих магнитных катушек. Они герерируют магнитное поле, в котором разогревается водородная плазма до 100 млн градусов по Цельсию. В катушках используются проводники из сплава ниобия и титана. Этот материал переходит в сверхпроводящее состояние при понижении температуры ниже 9,2°К. Охлаждение магнитов стандартное — жидким гелием при температуре −270°C. В связи с необходимостью непрерывного охлаждения катушки установлены внутри криостата, имеющего внутреннюю и внешнюю оболочки, изолированные друг от друга вакуумом. Для изучения и нагрева плазмы используются 254 отверстия в оболочке.

Технически стелларатор Wendelstein 7-X состоит из пяти практически идентичных модулей. В каждом из них — оболочка для плазмы, термоизоляция, 10 сверхпроводящих непланарных катушек, 4 соединённых планарных катушки, система трубок для жидкого гелия, сегмент для поддержки центрального кольца и внешняя оболочка.

Нагрев плазмы происходит тремя методами: СВЧ-подогрев с мощностью генераторов 10 МВт, подогрев радиоизлучением 4 МВт и подогрев нейтронным пучком 20 МВт.

Когда все пять модулей установили на место в основании стелларатора, начались работы по их сварке, соединению систем для подогрева и мониторинга плазмы.

Для строительства стелларатора были привлечены компании со всей Европы. Одним из основных подрядчиков была компания MAN Diesel & Turbo, которая занималась в том числе изготовлением стальных сегментов плазменной камеры. В целом виде она имеет внешний диаметр 12,9 м и высоту 2,4 м. Им пришлось решать множество технических проблем. Например, стальные плазменные камеры имеют причудливую форму и должны быть вылиты с допуском +/−2 мм. Каждая камера состоит из 200 колец, а каждое кольцо — из нескольких 15-сантиметровых стальных полосок, искривлённых специальным образом в соответствии со сложной геометрией, рассчитанной в программе компьютерного моделирования в соответствии с формулами теоремы о причёсывании ежа. Модули изготавливали на заводе MAN Diesel & Turbo в Дюссельдорфе.

Такая же точность и специфические научные требования предъявлялись к охлаждающим контурам для катушек.

Организаторы считают, что участие в проекте дало каждой компании неоценимый технический опыт и само по себе было престижным. Например, специалистам компании MAN Diesel & Turbo пришлось осваивать специфические программы 3D-проектирования и электронные лазерные инструменты для оценки геометрии. С тех пор эти инструменты вошли в постоянный производственный процесс компании.

Систему подогрева плазмы изготавливали компании Thales Electron Devices (Франция), Element Six (Великобритания), Diamond Materials (Германия) и Reuter Technologie (Германия).

Изготовлением ключевых устройств для разогрева плазмы — гиротронов — занималась компания Thales Electron Devices в тесном сотрудничестве с немецкими физиками.

Гиротрон — электровакуумный СВЧ-генератор, представляющий собой разновидность мазера на циклотронном резонансе. Источником СВЧ-излучения является электронный пучок, вращающийся в сильном магнитном поле. Излучение генерируется на частоте, равной циклотронной, в резонаторе с критической частотой, близкой к генерируемой. Гиротрон изобрели в СССР в НИРФИ в г. Горьком (ныне — Нижний Новгород).

Плазма внутри реактора удерживается в магнитном поле, но всё равно нельзя избежать её контакта с внутренней оболочкой. Хотя при этом температура плазмы падает до всего лишь 100 000°С, но всё равно внутреннюю сторону стальной камеры требуется покрыть термостойким материалом, который одновременно отводит тепло. Изготовлением таких диверторов занималась австрийская компания Plansee. Инженеры изобрели новый материал из блоков углерода, усиленного углеволокном, и металла с водяным охлаждением. Всего для стелларатора потребовалось изготовить 890 элементов дивертора из 18 000 блоков. Новый материал уже запатентован изобретателями под названием EXTREMAT.

Сверхпроводящие катушки из сплава ниобия и титана сложной формы для стелларатора изготовила фирма Babcock Noell (Германия).

За десять лет строительства удалось решить все технические проблемы и ввести в строй мегаконструкцию стелларатора.

Создание стелларатора в Институте Макса Планка по физике плазмы

10 декабря 2015 года состоялось историческое событие: в Институте Макса Планка по физике плазмы (IPP) в Грайсвальде впервые был запущен экспериментальный стелларатор Wendelstein 7-X.

Wendelstein 7-X: первая плазма

Операторы стелларатора подали команду на генерацию магнитного поля и запустили компьютерную систему управления экспериментом. Они подали около одного миллиграмма гелия в плазменный отсек, включили СВЧ-нагрев для короткого 1,3-мегаваттного импульса — и первую плазму зарегистрировали установленные камеры и измерительные приборы. Первая плазма сохраняла стабильное состояние 0,1 секунды и достигла температуры около миллиона градусов по Цельсию.

Руководитель проекта профессор Томас Клингер (Thomas Klinger) сказал, что по плану было начать именно с гелия, поскольку у него легче получить состояние плазмы. В 2016 году начались эксперименты с водородной плазмой.

Разогрев плазмы до миллиона градусов и больше — это хорошо, но оставался открытым главный вопрос, действительно ли учёным удалось собрать стелларатор правильной формы, в соответствии с теоремой о причёсывании ежа. Соответствует ли результат математической модели? Это самый важный вопрос, ведь никто и никогда раньше не собирал термоядерный реактор такой формы. Действительно ли там будет происходить термоядерный синтез с заданными параметрами?

30 ноября 2016 года мы получили ответ на этот вопрос. В этот день в журнале Nature Communications опубликована научная статья "Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1:100,000" (в открытом доступе). В ней приводятся результаты измерений магнитного поля внутри тороидальной камеры, которые подтверждают фактическую работоспособность стелларатора Wendelstein 7-X в соответствии с расчётными параметрами. Измерения произведены до разогрева плазмы, но они показывают, что инженерам на стройке действительно удалось собрать мегаконструкцию, которая полностью соответствует расчётным параметрам. Магнитная топология машины выполнена немецкими инженерами с требуемой точностью.

Итак, крупнейший в мире стелларатор действительно работает.