stringtranslate.com

Вендельштейн 7-X

Схема стелларатора — система катушек (синяя), плазма (желтая), линия магнитного поля (зеленая) на поверхности плазмы.
Исследовательский комплекс Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, экспериментальный зал слева.
Сверхпроводящие линии питания присоединяются к сверхпроводящим плоским катушкам, 2008 г.
Строительство в мае 2012 года. Видны тор, смещенный в испытательной камере, и большой мостовой кран. Обратите внимание на рабочих для масштаба.
Широкоугольный вид изнутри стелларатора , показывающий крышки из нержавеющей стали и охлаждаемые водой медные опорные пластины, которые в конечном итоге будут покрыты графитовыми плитками и будут выполнять функцию брони для защиты от взаимодействия плазмы со стенками.

Реактор Wendelstein 7-X (сокращенно W7-X ) — экспериментальный стелларатор, построенный в Грайфсвальде , Германия , Институтом физики плазмы Общества Макса Планка (IPP) и завершенный в октябре 2015 года. [1] [2] Его цель — усовершенствовать технологию стелларатора: хотя этот экспериментальный реактор не будет вырабатывать электроэнергию, он используется для оценки основных компонентов будущей термоядерной электростанции ; он был разработан на основе предшественника — экспериментального реактора Wendelstein 7-AS .

По состоянию на 2023 год реактор Wendelstein 7-X является крупнейшим в мире стеллараторным устройством. [3] После двух успешных этапов эксплуатации, завершившихся в октябре 2018 года, реактор был отключен для модернизации. [4] [5] Модернизация завершена в 2022 году. Новые эксперименты по термоядерному синтезу в феврале 2023 года продемонстрировали более длительное удержание и возросшую мощность. [6] Целью этой фазы является постепенное увеличение мощности и продолжительности до 30 минут непрерывного разряда плазмы, тем самым демонстрируя существенную особенность будущей термоядерной электростанции: непрерывную работу. [7] [8]

Название проекта, отсылающее к горе Вендельштайн в Баварии, было принято в конце 1950-х годов, ссылаясь на предыдущий проект Принстонского университета под названием «Проект Маттерхорн» . [9]

Исследовательская установка является независимым партнерским проектом Института физики плазмы Общества Макса Планка и Университета Грайфсвальда .

Конструкция и основные компоненты

Устройство Wendelstein 7-X основано на конфигурации Helias с пятью полями и периодом . Это в основном тороид , состоящий из 50 неплоских и 20 плоских сверхпроводящих магнитных катушек высотой 3,5 м, которые создают магнитное поле , предотвращающее столкновение плазмы со стенками реактора. 50 неплоских катушек используются для регулировки магнитного поля. Он нацелен на плотность плазмы 3 × 1020 частиц на кубический метр и температура плазмы 60–130  мегакельвинов (МК). [1]

W7-X оптимизирован по квазиизодинамическому принципу. [10]

Основными компонентами являются магнитные катушки, криостат , плазменный сосуд, дивертор и нагревательные системы. [11]

Катушки ( NbTi в алюминии [11] ) расположены вокруг теплоизолирующей оболочки диаметром 16 метров, называемой криостатом. Охлаждающее устройство производит достаточно жидкого гелия для охлаждения магнитов и их корпуса (около 425 метрических тонн «холодной массы») до температуры сверхпроводимости (4 К [12] ). Катушки будут проводить ток 12,8 кА и создавать поле до 3  тесла . [12]

Плазменный сосуд, состоящий из 20 частей, изнутри приспособлен к сложной форме магнитного поля. Он имеет 254 порта (отверстия) для нагрева плазмы и диагностики наблюдения. Вся установка состоит из пяти почти идентичных модулей, которые были собраны в экспериментальном зале. [11]

Система нагрева [13] включает в себя мощные гиротроны для электронно-циклотронного резонансного нагрева (ECRH), которые будут обеспечивать до 15 МВт нагрева плазмы. [14] Для рабочей фазы 2 (OP-2), после завершения полной брони/водяного охлаждения, до 8 мегаватт нейтральной инжекции пучка также будут доступны в течение 10 секунд. [15] Система ионно-циклотронного резонансного нагрева (ICRH) станет доступной для физических операций в OP1.2. [16]

Система датчиков и зондов, основанная на различных дополнительных технологиях, будет измерять ключевые свойства плазмы, включая профили электронной плотности и электронной и ионной температуры, а также профили важных примесей плазмы и радиального электрического поля, возникающего в результате переноса электронных и ионных частиц. [17]

История

Немецкое соглашение о финансировании проекта было достигнуто в 1994 году, в результате чего был создан филиал Института Грайфсвальда IPP в северо-восточном углу недавно объединенной Восточной Германии . Его новое здание было завершено в 2000 году. Первоначально предполагалось, что строительство стелларатора будет завершено в 2006 году. Сборка началась в апреле 2005 года. На устранение проблем с катушками ушло около 3 лет. [11] График сдвинулся на конец 2015 года. [11] [18] [19]

Консорциум из трех американских лабораторий (Принстон, Ок-Ридж и Лос-Аламос) стал партнером в проекте, заплатив 6,8 млн евро из общей стоимости в 1,06 млрд евро. [20] В 2012 году Принстонский университет и Общество Макса Планка объявили о создании нового совместного исследовательского центра в области физики плазмы, [21] в котором будут проводиться исследования по W7-X.

Окончание этапа строительства, которое потребовало более 1 миллиона часов сборки, [22] было официально отмечено церемонией открытия 20 мая 2014 года. [23] После периода проверки герметичности сосуда, начавшегося летом 2014 года, криостат был эвакуирован , а магнитные испытания были завершены в июле 2015 года. [12]

Эксплуатационная фаза 1 (OP1.1) началась 10 декабря 2015 года. [24] В тот день реактор успешно произвел гелиевую плазму (с температурой около 1 МК) в течение около 0,1 с. Для этого начального теста с примерно 1 мг гелия , введенного в откачанный плазменный сосуд, был применен микроволновый нагрев для короткого импульса 1,3 МВт. [25]

Целью OP 1.1 было как можно быстрее провести комплексное тестирование важнейших систем и получить первый опыт работы с физикой машины. [24] [26]

Более 300 разрядов с гелием были сделаны в декабре и январе с постепенно увеличивающимися температурами, в конечном итоге достигшими шести миллионов градусов Цельсия, для очистки стенок вакуумной камеры и тестирования систем диагностики плазмы. Затем, 3 февраля 2016 года, производство первой водородной плазмы инициировало научную программу. Самая высокая температура плазмы была получена с помощью четырехмегаваттных импульсов микроволнового нагревателя длительностью в одну секунду; электронная температура плазмы достигала 100 МК, а ионная — 10 МК. Было проведено более 2000 импульсов до отключения. [27]

Пять полоидальных графитовых ограничителей служили основными компонентами, обращенными к плазме во время этой первой кампании (вместо модулей дивертора). Экспериментальные наблюдения подтвердили прогнозы 3D-моделирования, которые показали, что модели осаждения тепла и потока частиц на ограничителях находятся в четкой корреляции с длинами открытых линий магнитного поля на границе плазмы. [28] [29]

Такие испытания планировалось продолжать около месяца, после чего следовало запланированное отключение для открытия вакуумного сосуда и облицовки его защитными углеродными плитками и установки «дивертора» для удаления примесей и тепла из плазмы. Научная программа продолжалась, постепенно увеличивая мощность и продолжительность разряда. [30] Особая топология магнитного поля была подтверждена в 2016 году. [31] [32]

Эксплуатационная фаза 1 (OP1.1) завершилась 10 марта 2016 года [24] [33] , и началась фаза модернизации.

Эксплуатационная фаза 1 была продолжена (OP1.2) в 2017 году [34] для испытания (неохлаждаемого) дивертора. [35] [24] [36]

Вендельштейн 7-X во время OP1.2b

В июне 2018 года рекордная температура ионов около 40 миллионов градусов, плотность 0,8 × 1020 частиц /м3 и время удержания 0,2 секунды дали рекордный продукт синтеза 6 × 1026 градус -секунд на кубический метр. [37]

В ходе последних экспериментов 2018 года плотность достигла 2 × 10 20 частиц/м 3 при температуре 20 миллионов градусов. При хороших плазменных показателях были получены долгоживущие плазмы с большим временем разряда 100 секунд. Содержание энергии превысило 1 мегаджоуль. [38] [39] [40] [41]

В 2021 году анализ данных рентгеновского спектрометра кристалла, собранных в эксперименте 2018 года, существенно снизил тревожные неоклассические транспортные потери тепла. Столкновения между нагретыми частицами приводят к тому, что некоторые из них покидают магнитное поле. Это произошло из-за оптимизации клетки магнитного поля, которая была необходима для достижения рекордных результатов. [42] [43]

Хронология

Финансирование

Финансовая поддержка проекта составляет около 80% от Германии и около 20% от Европейского Союза. 90% немецкого финансирования поступает от федерального правительства и 10% от правительства земли Мекленбург-Передняя Померания . Общий объем инвестиций в сам стелларатор за 1997–2014 годы составил €370 млн, в то время как общая стоимость площадки IPP в Грайфсвальде, включая инвестиции и эксплуатационные расходы (персонал и материальные ресурсы), составила €1,06 млрд за этот 18-летний период. Это превысило первоначальную бюджетную смету, в основном потому, что начальная фаза разработки была длиннее, чем ожидалось, что удвоило расходы на персонал. [49]

В июле 2011 года президент Общества Макса Планка Питер Грусс объявил , что Соединенные Штаты внесут 7,5 млн долларов в программу «Инновационные подходы к термоядерному синтезу» Министерства энергетики США . [50]

Сотрудничающие институты

Евросоюз

Соединенные Штаты

Япония

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Введение - стелларатор Wendelstein 7-X Проверено 5 ноября 2014 г.
  2. ^ Клери, Дэниел (21 октября 2015 г.). «Странный реактор, который может спасти ядерный синтез». sciencemag.org . Журнал Science . Получено 25 октября 2015 г.
  3. ^ "Wendelstein 7-X достигает мирового рекорда". Институт физики плазмы Общества Макса Планка . Получено 27 декабря 2022 г.
  4. ^ "Вторая фаза эксперимента". Институт физики плазмы Общества Макса Планка . Получено 26 сентября 2022 г.
  5. ^ Мильх, Изабелла. «Устройство синтеза Wendelstein 7-X в Грайфсвальде будет модернизировано». Институт физики плазмы им. Макса Планка . Получено 26 сентября 2022 г.
  6. ^ ab "Wendelstein 7-X достигает рубежа: мощная плазма с оборотом энергии в гигаджоуль, генерируемая в течение восьми минут". 22 февраля 2023 г.
  7. ^ idw-online.de: Федеральный министр исследований Штарк-Ватцингер и министр Мартин посещают IPP Greifswald, резервная копия: Цитата: «...После двух успешных начальных этапов эксплуатации устройство для термоядерного синтеза Wendelstein 7-X было дополнительно расширено. Этот последний этап, который модернизирует машину для демонстрации плазменных импульсов длительностью до 30 минут с увеличенной тепловой мощностью, теперь завершен, и Wendelstein 7-X закончен. Внутренняя оболочка с водяным охлаждением и новая центральная часть, водоохлаждаемый дивертор, завершают устройство. Осенью 2022 года Wendelstein 7-X снова войдет в эксплуатацию...»
  8. ^ ipp.mpg.de: Wendelstein 7-X на пороге новой пиковой производительности: Цитата: «...С осени 2022 года международная группа ученых снова выведет W7-X на новые высоты производительности. «С улучшенным оборудованием мы хотим иметь возможность поддерживать высокопроизводительную плазму с оборотом энергии до 18 гигаджоулей стабильной в течение получаса в течение нескольких лет», [...] приближаясь к этой цели шаг за шагом и узнавая больше о работе плазмы при более высоких энергиях, не создавая слишком большой нагрузки на машину слишком быстро, [...]»
  9. ^ WI-A, WI-B, WII-A, WII-B, W7-A: G. Grieger; H. Renner; H. Wobig (1985), "Стеллараторы Вендельштейна", Nuclear Fusion (на немецком языке), т. 25, № 9, стр. 1231, doi : 10.1088/0029-5515/25/9/040, S2CID  250832456
  10. ^ «Физика, технологии и статус устройства Wendelstein 7-X» (PDF) .
  11. ^ abcde Клингер, Томас (14 апреля 2011 г.). "Стеллараторы трудно построить? Строительство Вендельштейна 7-X" (PDF) . Получено 13 июня 2011 г. .53 слайда - много фотографий
  12. ^ abc "Магнитные испытания на Wendelstein 7-X успешно завершены". 7 июля 2015 г. Архивировано из оригинала 16 июля 2015 г.
  13. ^ "Stellarator Heating and Optimization" . Получено 10 декабря 2015 г. .
  14. ^ "Микроволновое отопление – ECRH" . Получено 10 декабря 2015 г.
  15. ^ "Neutral Beam Injection Heating (NBI)" . Получено 10 декабря 2015 г. .
  16. ^ "Ионный циклотронный резонансный нагрев (ICRH)" . Получено 10 декабря 2015 г. .
  17. ^ "Диагностика профиля" . Получено 10 декабря 2015 г.
  18. ^ Арну, Роберт (15 апреля 2011 г.). "The stellarator Renaissance" . Получено 13 июня 2011 г. .
  19. ^ Джеффри, Колин (25 октября 2015 г.). «Wendelstein 7-x stellarator makes new twist on nuclear fusion power». www.gizmag.com . Получено 27 октября 2015 г.
  20. ^ «США сужают фокус исследований в области термоядерного синтеза, присоединяясь к немецкому стелларатору». 1 сентября 2011 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ "Принстон, Общество Макса Планка запускают новый исследовательский центр физики плазмы". 29 марта 2012 г. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Получено 19 августа 2013 г.
  22. ^ "Начало научных экспериментов на термоядерном устройстве Wendelstein 7-X". phys.org . 7 июня 2016 г. Получено 11 октября 2016 г.
  23. ↑ Milch, Isabella (12 мая 2014 г.). «Подготовка к эксплуатации Wendelstein 7-X начинается» . Получено 16 мая 2014 г.
  24. ^ abcde «Информационный бюллетень Wendelstein 7-X № 13 / апрель 2017 г.» (PDF) .
  25. ^ "Первая плазма: термоядерный реактор Wendelstein 7-X уже в работе". Институт физики плазмы Общества Макса Планка. 10 декабря 2015 г. Получено 10 декабря 2015 г.
  26. ^ Сунн Педерсен, Т.; Андреева Т.; Бош, Х.-С; Боженков С.; Эффенберг, Ф.; Эндлер, М.; Фэн, Ю.; Гейтс, Д.А.; Гейгер, Дж.; Хартманн, Д.; Хёльбе, Х.; Якубовский, М.; Кениг, Р.; Лаква, HP; Лазерсон, С.; Отте, М.; Прейнас, М.; Шмитц, О.; Штанге, Т.; Туркин, Ю. (ноябрь 2015 г.). «Планы первой плазменной операции Wendelstein 7-X». Ядерный синтез . 55 (12): 126001. Бибкод : 2015NucFu..55l6001P. doi : 10.1088/0029-5515/55/12/126001. hdl : 11858/00-001M-0000-0029-04EB-D . S2CID  67798335.
  27. ^ "Wendelstein 7-X: Обновление после успешного первого раунда экспериментов". phys.org . 11 июля 2016 г. Получено 11 октября 2016 г.
  28. ^ Эффенберг, Ф.; Фэн, Ю.; Шмитц, О.; Фрерихс, Х.; Боженков С.А.; Хёльбе, Х.; Кениг, Р.; Крыховяк, М.; Педерсен, Т. Сунн; Рейтер, Д.; Стефи, Л. (2017). «Численное исследование переноса краев плазмы и ограничительных тепловых потоков в стартовой плазме Wendelstein 7-X с помощью EMC3-EIRENE» (PDF) . Ядерный синтез . 57 (3). дои : 10.1088/1741-4326/aa4f83. hdl : 11584/213558 .
  29. ^ «GA Wurden et al 2017 Nucl. Fusion 57 056036» . Ядерный синтез . дои : 10.1088/1741-4326/aa6609. hdl : 11584/213558 . S2CID  126252486.
  30. ^ "Wendelstein 7-X fusion device produce its first Hydrogen Plasma". Институт физики плазмы им. Макса Планка. 3 февраля 2016 г. Получено 4 февраля 2016 г.
  31. ^ Педерсен, Т. Сунн; Отте, М.; Лазерсон, С.; Хеландер, П.; Боженков С.; Бидерманн, К.; Клингер, Т.; Вольф, RC; Бош, Х.-С.; Абрамович, Ивана; Акясломполо, Симппа; Алейников, Павел; Алейникова, Ксения; Али, Аднан; Алонсо, Артуро; Анда, Габор; Андреева Тамара; Аскасибар, Энрике; Бальдцун, Юрген; Бандух, Мартин; Барбуи, Туллио; Бейдлер, Крейг; Бенндорф, Андре; Берскенс, Марк; Биль, Вольфганг; Бирус, Дитрих; Блэквелл, Бойд; Бланко, Эмилио; Блатцхайм, Марко; и др. (2016). «Подтверждение топологии магнитного поля Wendelstein 7-X с точностью лучше 1:100 000». Nature Communications . 7 : 13493. Bibcode :2016NatCo...713493P. doi :10.1038/ncomms13493. PMC 5141350 . PMID  27901043. 
  32. ^ «Испытания подтверждают, что гигантская немецкая машина ядерного синтеза действительно работает». ScienceAlert . 6 декабря 2016 г. . Получено 7 декабря 2016 г. .
  33. ^ Wolf, RC; et al. (27 июля 2017 г.). "RC Wolf et al 2017 Nucl. Fusion 57 102020". Ядерный синтез . 57 (10): 102020. doi : 10.1088/1741-4326/aa770d . hdl : 2434/616000 . S2CID  1986901.
  34. ^ "Wendelstein 7-X: Начало экспериментов Zweite Experimentierrunde" . www.ipp.mpg.de.​
  35. ^ Вольф, RC; Алонсо, А.; Экасломполо, С.; Бальдзун, Дж.; Берскенс, М.; Бейдлер, компакт-диск; Бидерманн, К.; Бош, Х.-С.; Боженков С.; Бракел, Р.; Браун, Х.; Брезинсек, С.; Бруннер, К.-Дж.; Дамм, Х.; Динклэйдж, А.; Древелоу, П.; Эффенберг, Ф.; Фэн, Ю.; Форд, О.; Фухерт, Г.; Гао, Ю.; Гейгер, Дж.; Грульке, О.; Хардер, Н.; Хартманн, Д.; Хеландер, П.; Хайнеманн, Б.; Хирш, М.; Хефель, У.; Хопф, К.; Ида, К.; Исобе, М.; Якубовский, МВт; Казаков Ю.О.; Киллер, К.; Клингер, Т.; Кнауэр, Дж.; Кениг, Р.; Крыховяк, М.; Лангенберг, А.; Лаква, HP; Лазерсон, С.; Макнили, П.; Марсен, С.; Марущенко Н.; Ночентини, Р.; Огава, К.; Ороско, Г.; Осакабе, М.; Отте, М.; Паблант, Н.; Паш, Э.; Павоне, А.; Порколаб, М.; Пуиг Ситжес, А.; Рахбарния, К.; Ридль, Р.; Руст, Н.; Скотт, Э.; Шиллинг, Дж.; Шредер, Р.; Штанге, Т.; фон Стехов, А.; Страмбергер, Э.; Сунн Педерсен, Т.; Свенссон, Дж.; Томсон, Х.; Туркин, Ю.; Вано, Л.; Ваутерс, Т.; Вурден, Г.; Ёсинума, М.; Занини, М.; Чжан, Д. (1 августа 2019 г.). «Характеристики плазмы стелларатора Wendelstein 7-X во время первой фазы работы дивертора». Физика плазмы . 26 (8): 082504. Bibcode : 2019PhPl...26h2504W. doi : 10.1063/1.5098761 . hdl : 1721.1/130063 . S2CID  202127809 .
  36. ^ "S. BrezƖnsek et al 2022 Nucl. Fusion 62 016006". Ядерный синтез . doi : 10.1088/1741-4326/ac3508 . S2CID  240484560.
  37. ^ «Wendelstein 7-X достигает мирового рекорда по термоядерному продукту» Phys.org, 25 июня 2018 г.
  38. ^ "Успешный второй раунд экспериментов с Wendelstein 7-X". www.ipp.mpg.de . Получено 22 марта 2019 г. .
  39. ^ Лаварс, Ник (26 ноября 2018 г.). «Реактор синтеза Wendelstein 7-X сохраняет прохладу на пути к рекордным результатам». newatlas.com . Получено 1 декабря 2018 г.
  40. ^ "T. Klinger et al 2019 Nucl. Fusion 59 112004". Ядерный синтез . doi : 10.1088/1741-4326/ab03a7 . hdl : 2434/653115 . S2CID  128140454.
  41. ^ Санн Педерсен, Томас и др. (апрель 2022 г.). "Томас Санн Педерсен и др. 2022 Nucl. Fusion 62 042022". Ядерный синтез . 62 (4): 042022. doi : 10.1088/1741-4326/ac2cf5 . hdl : 1721.1/147631 . S2CID  234338848.
  42. ^ Бейдлер, компакт-диск; Смит, HM; Алонсо, А.; Андреева Т.; Бальдзун, Дж.; Берскенс, Миннесота; Борхардт, М.; Боженков С.А.; Бруннер, К.Дж.; Дамм, Х.; Древлак, М. (11 августа 2021 г.). «Демонстрация уменьшенного неоклассического транспорта энергии в Wendelstein 7-X». Природа . 596 (7871): 221–226. Бибкод : 2021Natur.596..221B. doi : 10.1038/s41586-021-03687-w. ISSN  1476-4687. ПМЦ 8357633 . ПМИД  34381232. 
  43. ^ Лаварс, Ник (1 сентября 2021 г.). «Реактор синтеза Wendelstein 7-X на пути к плазме, вдвое более горячей, чем Солнце». Новый Атлас . Получено 2 сентября 2021 г.
  44. ^ "Вехи". www.ipp.mpg.de .
  45. ^ Григер, Г.; Реннер, Х.; Вобиг, Х. (1985). «Стеллараторы Вендельштейна». Ядерный синтез . 25 (9): 1231–1242. дои : 10.1088/0029-5515/25/9/040. ISSN  0029-5515. S2CID  250832456.
  46. ^ Хатирамани, Д.; и др. (2018). «Обновления диагностики кромок, дивертора и скребкового слоя W7-X для OP1.2» (PDF) . Fusion Engineering and Design . 136 : 304–308. Bibcode :2018FusED.136..304H. doi : 10.1016/j.fusengdes.2018.02.013 .
  47. ^ "Wendelstein 7-X достигает мирового рекорда". www.ipp.mpg.de . Получено 30 июня 2018 г. .
  48. ^ Юлия Зибер (9 августа 2022 г.). «Расширение термоядерного устройства Wendelstein 7-X завершено / Эксперименты начнутся осенью».
  49. ↑ FAZ: Start frei für deutschen Sonnenofen. Архивировано 7 ноября 2015 г. в Wayback Machine, от 20 мая 2014 г.
  50. ↑ Изабелла Мильх (7 июля 2011 г.). «США присоединяются к проекту синтеза Wendelstein 7-X». Институт физики плазмы им. Макса Планка . Получено 4 февраля 2016 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме Вендельштейна 7-X .

54°04′23″с.ш. 13°25′26″в.д. / 54.073°с.ш. 13.424°в.д. / 54.073; 13.424