Wendelstein 7-x stellarator - реактор термоядерного синтеза с необычной конфигурацией магнитных полей

В недрах большого исследовательского комплекса, расположенного в Грифсвальде на северо-востоке Германии, находится новый реактор термоядерного синтеза, имеющий достаточно нетрадиционную и необычную конструкцию. Этот реактор, имеющий название Wendelstein 7-x fusion stellarator, проходит последние этапы испытаний, прежде чем на его магниты и другие компоненты будет подана полная мощность и будет проведена первая попытка его включения. Строительство этого реактора заняло порядка 15 лет, в течение которых ученым и инженерам удалось создать чрезвычайно эффективную магнитную систему, способную удерживать сверхвысокотемпературную плазму непрерывно в течение 30 минут. И в случае успешного запуска работы реактора он послужит испытательным стендом, позволяющим выяснить все тонкости и особенности поддержания реакции термоядерного синтеза в непрерывном цикле, что требуется для технологий производства электроэнергии.

Реактор Wendelstein 7-x stellarator был построен специалистами Института физики плазмы Макса Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP), а все его основные и критичные узлы и компоненты были рассчитаны при помощи суперкомпьютера. Wendelstein 7-x stellarator является первым полномасштабным оптимизированным стелларатор-реактором, который создает в своей камере неоднородное магнитное поле, имеющее области с завихрениями и напоминающее перекрученную несколько раз ленту Мебиуса. Такое магнитное поле создает среду, плазма в которой, согласно расчетам, будет обладать большей стабильностью, а реакция станет более управляемой за этот счет.

Изначально конструкция стелларатор-реактора была разработана в 1951 году Лайманом Спитцером (Lyman Spitzer), ученым из Принстонского университета. Однако, в то время создание реактора такого типа было невозможным из-за ограниченного количества доступных людям материалов. Поэтому реакторы типа токамак, имеющие более простую и более технологичную конструкцию, были выбраны и использованы в качестве стендов для исследований в области ядерного синтеза.

Тем не менее, попытки создания стелларатор-реакторов, таких как Wendelstein 7-AS (Advanced Stellarator), были проведены учеными и инженерами различных стран. И лишь в последнее время, благодаря появлению суперкомпьютеров, обладающих мощностью, достаточной для проведения сложнейших расчетов, стала возможна разработка технологий, позволяющих удерживать и контролировать сверхвысокотемпературную плазму в магнитном поле сложной конфигурации.

Конструкция стелларатор-реактора создает среду, в которой плазма обладает высокой стабильностью. Ключом к этому является технология, которая позволяет избежать возникновения токов внутри плазменного шнура, потоков свободных электроном и ионов, которые создают свои собственные магнитные поля, что часто приводит разрушению магнитного поля и потере плазмой температуры в токамак-реакторах. В стелларатор-реакторе используется ряд электромагнитных катушек, которые создают закрученное магнитное поле, удерживающее плазму в центре камеры реактора. За счет некоторых физических эффектов, возникающих при взаимодействии плазмы и такого магнитного поля, плазменный шнур постоянно отталкивается в сторону центра камеры, а основным эффектором этого являются магнитные поля, изменяющие свою полярность на противоположную несколько раз по всей длине плазменного шнура.

Преимущества стелларатор-реакторов по отношению к токамакам выливаются в высокую стоимость строительства таких реакторов. Кроме этого, завихрения магнитных полей, возникающих в местах "перекручивания" основного магнитного поля, являются потенциальными местами утечки, через которые множество частиц топлива могут покинуть пределы плазменного шнура и утеряны. Поэтому в конструкции реактора используется множество дополнительных катушек, поле которых "затыкает эти дыры", работа которых должна быть синхронизирована с работой катушек основных электромагнитов и которые охлаждаются жидким гелием до уровня возникновения сверхпроводимости.

В случае реактора Wendelstein 7-x stellarator используются 50 3.5-метровых секций сверхпроводящих электромагнитов, суммарный вес которых составляет 425 тонн. Это делает процесс монтажа и наладки реактора чрезвычайно сложным и кропотливым занятием. А перекачка большого количества жидкого гелия в количествах, необходимых для поддержания температуры обмоток близкой к абсолютному нулю, является "самым большим кошмаром для любого водопроводчика". Необходимость наличия портов для ввода топлива, вывода отработанного материала и массы точек для ввода в камеру всевозможных датчиков и контролирующих устройств, является причиной еще большего усложнения конструкции и стоимости реактора.

Несмотря на все вышесказанное, специалистам удалось рассчитать и создать конструкцию стелларатор-реактора Wendelstein 7-x. Проведенные тесты уже показали правильность некоторых использованных технологий, которые будут поддерживать положение плазменного шнура с субмиллиметровой точностью. В этих тестах вместо плазмы в камеру реактора был введен луч электронов, который, удерживаемый магнитным полем, двигался вдоль осевой линии камеры реактора, а столкновения электронов этого луча со свободными электронами остаточного газа в камере создавали свечение, по которому можно было видеть все происходящее.

В настоящее время руководство института IPP ожидает получения разрешения на включение реактора от соответствующих германских контролирующих и регулирующих организаций, которое будет получено к концу этого месяца. А уже в ноябре этого года будет произведена попытка первого включения реактора Wendelstein 7-x stellarator. И в заключении следует отметить, что на строительство нового стелларатор-реактора было потрачено чуть больше миллиарда евро, а количество трудовых затрат превысило 1 миллион человеко-часов.