Стелларатор — это тип магнитного термоядерного реактора, в котором плазма удерживается в замкнутой конфигурации исключительно с помощью сложной системы магнитных полей, создаваемых внешними катушками. В отличие от токамаков, стеллараторы не требуют индуцированного тока в плазме для удержания, что позволяет работать в устойчивом непрерывном режиме. Основная цель стеллараторов — достижение условий термоядерного синтеза при высоких температурах и плотности плазмы с минимальными потерями энергии.
Конфигурация магнитного поля в стеллараторе представляет собой сложный трехмерный винтовой контур, в котором поля создаются множеством сверхпроводящих и обычных катушек, расположенных по уникальному геометрическому рисунку. Это обеспечивает равномерное распределение магнитной поверхности, минимизируя потери плазмы на стенки камеры.
Wendelstein 7-X (W7-X) — это крупнейший современный экспериментальный стелларатор, построенный в Институте Макса Планка в Германии. Его задача — проверить технологическую и физическую осуществимость стеллараторной концепции для будущих термоядерных реакторов. В отличие от ранних стеллараторов, W7-X использует оптимизированную геометрию магнитного поля, что позволяет значительно снижать транспорт энергии плазмы и повышать стабильность.
Вакуумная камера: Камера W7-X имеет форму сложного многогранника с двадцатью модулями, каждый из которых покрыт специальным теплоизоляционным слоем и облицован панелями из материалов с высокой термоустойчивостью. Камера рассчитана на давление плазмы порядка 2 Па и температуры до 100 млн Кельвин.
Магнитные катушки:
Система подогрева и нагнетания плазмы: Для разогрева плазмы в W7-X применяются несколько методов:
Эти методы позволяют достичь параметров, приближенных к условиям, необходимым для самоподдерживающегося термоядерного синтеза, хотя на W7-X пока не ставится задача получения энергии.
Транспорт энергии: Одним из ключевых преимуществ W7-X является оптимизация магнитного конфайнмента, которая снижает турбулентные потери плазмы. За счёт уникальной геометрии катушек достигается близость к идеальным магнитным поверхностям, что уменьшает радиальный поток тепла и частиц.
Магнитная устойчивость: В стеллараторе нет необходимости индуцировать ток в плазме, что устраняет проблему токовых нестабильностей, типичных для токамаков, таких как кикеры и токовые разряды. Это позволяет проводить долговременные эксперименты, вплоть до нескольких десятков минут, и изучать устойчивость плазмы в условиях близких к стационарным.
Термодинамические параметры плазмы:
Эти показатели позволяют моделировать поведение реактора будущего типа DEMO и проверять эффективность магнитного удержания при высоких нагрузках.
Оптимизация конфигурации: Проектирование W7-X потребовало расчётов миллиона возможных конфигураций катушек с использованием суперкомпьютеров. Оптимизация позволила:
Сверхпроводящие технологии: Применение сверхпроводников NbTi позволило создать магнитное поле до 3 Тл, что является значительным улучшением по сравнению с ранними стеллараторами.
Материалы и панели для стенок: Используются керамические композиты и вольфрамовые панели, способные выдерживать импульсные нагрузки нейтронов и тепловые потоки без деформации.
Долговременные эксперименты: Благодаря стабильной конфигурации и эффективной системе охлаждения, W7-X может проводить эксперименты продолжительностью до 30 минут и более, что позволяет изучать стационарные процессы удержания плазмы, недоступные в токамаках.
Wendelstein 7-X является ключевым экспериментом для проверки концепции оптимизированного стелларатора как потенциального источника чистой энергии. Он позволяет:
Успехи W7-X закладывают основу для следующего поколения термоядерных реакторов, где стеллараторы смогут работать непрерывно, обеспечивая устойчивое и безопасное производство энергии без риска токовых разрядов.