Стелларатор — это устройство, которое ограничивает плазму с помощью внешних магнитов. Ученые стремятся использовать стеллараторы для достижения управляемого ядерного синтеза . Это один из многих типов устройств для магнитного удержания термоядерных реакторов , наиболее распространенным из которых является токамак . Название «стелларатор» относится к звездам, поскольку термоядерный синтез также происходит в таких звездах, как Солнце . [1] Это одно из самых ранних устройств термоядерной энергии , 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 том, что стало Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL). Модель А Лаймана начала работать в 1953 году и продемонстрировала удержание плазмы. Затем последовали более крупные модели, но они показали плохую производительность, теряя плазму со скоростью, намного худшей, чем теоретические предсказания. К началу 1960-х годов любая надежда на быстрое создание коммерческой машины угасла, и внимание переключилось на изучение фундаментальной теории высокоэнергетической плазмы. К середине 1960-х годов Спитцер был убежден, что стелларатор соответствует скорости диффузии Бома , что предполагало, что он никогда не станет практическим устройством для термоядерного синтеза.
Публикация информации о конструкции токамака в СССР в 1968 году указала на скачок в производительности. После больших дебатов в промышленности США PPPL преобразовала стелларатор модели C в симметричный токамак (ST), чтобы подтвердить или опровергнуть эти результаты. ST подтвердил их, и крупномасштабная работа над концепцией стелларатора завершилась в США, поскольку токамак привлекал к себе большую часть внимания в течение следующих двух десятилетий. Исследования по проекту продолжились в Германии и Японии, где было построено несколько новых конструкций.
В конечном итоге токамак оказался с проблемами, схожими со стеллараторами, но по другим причинам. С 1990-х годов интерес к конструкции стелларатора возобновился. [2] Новые методы строительства повысили качество и мощность магнитных полей, улучшив производительность. [3] Для проверки этих концепций был построен ряд новых устройств. Среди основных примеров — Wendelstein 7-X в Германии, Helically Symmetric Experiment (HSX) в США и Large Helical Device в Японии.
В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми осуществили термоядерный синтез на Земле, используя ускоритель частиц для выстреливания ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий , литий или другие элементы. [4] Эти эксперименты позволили им измерить ядерное поперечное сечение различных реакций синтеза между ядрами и определить, что реакция трития и дейтерия происходила при более низкой энергии, чем любое другое топливо, достигая пика примерно при 100 000 электронвольт (100 кэВ). [5] [a]
100 кэВ соответствует температуре около миллиарда кельвинов . Из-за статистики Максвелла-Больцмана , объемный газ при гораздо более низкой температуре все еще будет содержать некоторые частицы при этих гораздо более высоких энергиях. Поскольку реакции синтеза выделяют так много энергии, даже небольшое количество этих реакций может выделить достаточно энергии, чтобы поддерживать газ при требуемой температуре. В 1944 году Энрико Ферми продемонстрировал, что это произойдет при объемной температуре около 50 миллионов градусов Цельсия, все еще очень горячо, но в пределах существующих экспериментальных систем. Ключевой проблемой было удержание такой плазмы; ни один материальный контейнер не мог выдержать такие температуры. Но поскольку плазма является электропроводящей, она подвержена воздействию электрических и магнитных полей, которые обеспечивают ряд решений. [6]
В магнитном поле электроны и ядра плазмы вращаются вокруг магнитных силовых линий. Одним из способов обеспечения некоторого ограничения 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 ограничивает плазму по длине трубки. Очевидное решение — согнуть трубку в форме тора (бублика), так что любая линия образует круг, и частицы могут вращаться вечно. [7]
Однако это решение на самом деле не работает. По чисто геометрическим причинам магниты, опоясывающие тор, расположены ближе друг к другу на внутренней кривой, внутри «бублика». Ферми отметил, что это приведет к тому, что электроны будут дрейфовать от ядер, в конечном итоге заставляя их разделяться и вызывая возникновение больших напряжений. Результирующее электрическое поле заставит плазменное кольцо внутри тора расширяться, пока оно не ударится о стенки реактора. [7]
После Второй мировой войны ряд исследователей начали рассматривать различные способы ограничения плазмы. Джордж Пейджет Томсон из Имперского колледжа Лондона предложил систему, теперь известную как z-pinch , которая пропускает ток через плазму. [8] Благодаря силе Лоренца этот ток создает магнитное поле, которое втягивает плазму внутрь себя, удерживая ее подальше от стенок реактора. Это устраняет необходимость в магнитах снаружи, избегая проблемы, отмеченной Ферми. Различные группы в Великобритании построили ряд небольших экспериментальных устройств, используя эту технику к концу 1940-х годов. [8]
Другим человеком, работавшим над управляемыми термоядерными реакторами, был Рональд Рихтер , немецкий ученый, 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 чилийской границы. Известный как проект Уэмуль , он был завершен в 1951 году. Рихтер вскоре убедил себя, что термоядерный синтез был достигнут, несмотря на несогласие других людей, работавших над проектом. [9] «Успех» был объявлен Пероном 24 марта 1951 года, став темой газетных статей по всему миру. [10]
Во время подготовки к лыжной поездке в Аспен Лайман Спитцер получил телефонный звонок от своего отца, который упомянул статью о Хуэмуле в The New York Times . [11] Просматривая описание в статье, Спитцер пришел к выводу, что это не может работать; система просто не могла обеспечить достаточно энергии для нагрева топлива до температур термоядерного синтеза. Но идея застряла у него, и он начал рассматривать системы, которые могли бы работать. Во время поездки на подъемнике он натолкнулся на концепцию стелларатора. [12] [b]
Основная концепция заключалась в способе изменения компоновки тора таким образом, чтобы она решала проблемы Ферми через геометрию устройства. При скручивании одного конца тора по сравнению с другим, образуя компоновку в виде восьмерки вместо круга, магнитные линии больше не перемещались вокруг трубки с постоянным радиусом, вместо этого они двигались все ближе и дальше от центра тора. Частица, вращающаяся по этим линиям, обнаруживала бы себя постоянно движущейся внутрь и наружу поперек малой оси тора. Дрейф вверх, пока она проходила через одну секцию реактора, обращался бы вспять после половины орбиты, и она снова бы дрейфовала вниз. Отмена была неидеальной, но, казалось, это настолько сильно снижало бы чистую скорость дрейфа, что топливо оставалось бы в ловушке достаточно долго, чтобы нагреть его до требуемых температур. [13]
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», таким, что 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 соленоидальным полем в скрученной или восьмеркообразной трубке, либо с помощью дополнительного поперечного многополярного спирального поля с винтовой симметрией. [14]
Работая в Лос-Аламосе в 1950 году, Джон Уилер предложил создать секретную исследовательскую лабораторию в Принстонском университете , которая продолжила бы теоретическую работу над водородными бомбами после его возвращения в университет в 1951 году. Спитцера пригласили присоединиться к этой программе, учитывая его предыдущие исследования межзвездной плазмы. [15]
Но к моменту своей поездки в Аспен Спитцер потерял интерес к проектированию бомбы, и по возвращении он полностью сосредоточился на термоядерном синтезе как источнике энергии. [16] В течение следующих нескольких месяцев Спитцер подготовил серию отчетов, в которых излагались концептуальная основа стелларатора, а также потенциальные проблемы. Серия отличается своей глубиной; она не только включала подробный анализ математики плазмы и стабильности, но и обрисовывала ряд дополнительных проблем, таких как нагрев плазмы и работа с примесями. [17]
С этой работой в руках Спитцер начал лоббировать Комиссию по атомной энергии США (AEC) для финансирования разработки системы. [17] Он изложил план, включающий три этапа. Первый этап включал создание модели A, целью которой было продемонстрировать, что плазма может быть создана и что время ее удержания лучше, чем у тора . Если модель A будет успешной, модель B попытается нагреть плазму до температур термоядерного синтеза. За этим последует модель C, которая попытается фактически создать реакции термоядерного синтеза в больших масштабах. [18] Ожидалось, что вся эта серия займет около десятилетия. [19]
Примерно в то же время Джим Так познакомился с концепцией пинча, работая в лаборатории Кларендона в Оксфордском университете . Ему предложили работу в США, и в конечном итоге он оказался в Лос-Аламосе, где познакомил других исследователей с концепцией. Когда он услышал, что Спитцер продвигает стелларатор, он также отправился в Вашингтон, чтобы предложить построить устройство пинча. Он считал планы Спитцера «невероятно амбициозными». Тем не менее, Спитцеру удалось получить 50 000 долларов США в виде финансирования от AEC, в то время как Так не получил ничего. [18]
Программа Принстона была официально создана 1 июля 1951 года. Спитцер, страстный альпинист, [c] предложил название « Проект Маттерхорн », потому что он чувствовал, что «выполняемая работа кажется сложной, как восхождение на гору». [20] Первоначально были созданы две секции: секция S работала над стелларатором под руководством Спитцера, а секция B работала над проектированием бомбы под руководством Уиллера. Маттерхорн был создан в новом кампусе Принстона Форрестал, на участке земли площадью 825 акров (334 га), который университет купил у Рокфеллеровского института медицинских исследований, когда Рокфеллер переехал в Манхэттен . [d] Земля находилась 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. [21]
Вскоре другие лаборатории начали агитировать за собственное финансирование. Таку удалось организовать некоторое финансирование для своего «Возможнотрона» через некоторые дискреционные бюджеты в LANL, но другие команды в LANL, Беркли и Ок-Ридже (ORNL) также представили свои идеи. В конечном итоге AEC организовала новый отдел для всех этих проектов, став «Проектом Шервуд». [22]
Получив финансирование от 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 сделана из 5-сантиметровых (2,0 дюйма) трубок из пирекса общей длиной около 350 см (11,5 футов) и магнитов, способных выдавать около 1000 гаусс. [23] Машина начала работать в начале 1953 года и ясно продемонстрировала улучшенное удержание по сравнению с простым тором. [24]
Это привело к созданию модели B, у которой была проблема, заключающаяся в том, что магниты не были хорошо установлены и имели тенденцию к перемещению, когда они были запитаны на максимальную мощность в 50 000 гаусс. Вторая конструкция также потерпела неудачу по той же причине, но эта машина продемонстрировала несколько сотен киловольт рентгеновского излучения, что предполагало хорошее удержание. Уроки, извлеченные из этих двух конструкций, привели к созданию B-1, которая использовала омический нагрев (см. ниже) для достижения температуры плазмы около 100 000 градусов. [24] Эта машина продемонстрировала, что примеси в плазме вызывают большие рентгеновские выбросы, которые быстро охлаждают плазму. В 1956 году B-1 был перестроен с использованием сверхвысоковакуумной системы для уменьшения примесей, но было обнаружено, что даже в меньших количествах они все еще представляли серьезную проблему. Еще один эффект, замеченный в B-1, заключался в том, что во время процесса нагрева частицы оставались удержанными всего несколько десятых миллисекунды, в то время как после выключения поля любые оставшиеся частицы удерживались в течение 10 миллисекунд. По-видимому, это произошло из-за «кооперативных эффектов» внутри плазмы. [25]
Тем временем строилась вторая машина, известная как B-2. Она была похожа на машину B-1, но использовала импульсную мощность, чтобы достичь более высокой магнитной энергии, и включала вторую систему нагрева, известную как магнитная накачка. Эта машина также была модифицирована для добавления сверхвысоковакуумной системы. К сожалению, B-2 продемонстрировала небольшой нагрев от магнитной накачки, что не было полностью неожиданным, поскольку этот механизм требовал более длительного времени удержания, и этого не достигалось. Поскольку казалось, что из этой системы в ее нынешнем виде можно было извлечь немного, в 1958 году ее отправили на выставку «Атомы для мира» в Женеве . [25] Однако, когда система нагрева была модифицирована, связь резко возросла, продемонстрировав температуры в секции нагрева до 1000 электронвольт (160 аДж). [23] [e]
Для изучения импульсного режима работы были построены еще две машины. B-64 был завершен в 1955 году, по сути, это была более крупная версия машины B-1, но работающая на импульсах тока, которые производили до 15 000 гаусс. Эта машина включала дивертор , который удалял примеси из плазмы, значительно уменьшая эффект охлаждения рентгеновским излучением, наблюдаемый в более ранних машинах. B-64 включал прямые секции в изогнутых концах, что придавало ей квадратный вид. Этот вид привел к ее названию, это была «восьмерка в квадрате», или 8 в квадрате, или 64. Это привело к экспериментам в 1956 году, где машина была повторно собрана без скручивания в трубках, что позволяло частицам перемещаться без вращения. [26]
B-65, завершенный в 1957 году, был построен с использованием новой компоновки «гоночной трассы». Это стало результатом наблюдения, что добавление спиральных катушек к изогнутым частям устройства создавало поле, которое вводило вращение исключительно через результирующие магнитные поля. Это имело дополнительное преимущество, поскольку магнитное поле включало сдвиг , который, как известно, улучшал стабильность. [26] B-3, также завершенный в 1957 году, был значительно увеличенной машиной B-2 со сверхвысоким вакуумом и импульсным удержанием до 50 000 гаусс и проектируемым временем удержания до 0,01 секунды. Последней из машин серии B была B-66, завершенная в 1958 году, которая по сути была комбинацией компоновки гоночной трассы из B-65 с большим размером и энергией B-3. [25]
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 выше, чем скорости Бома. Скорость дрейфа B-3 была в три раза выше наихудших предсказаний Бома, и не смогла поддерживать удержание более нескольких десятков микросекунд. [26]
Уже в 1954 году, по мере продолжения исследований машин серии B, конструкция устройства модели C становилась более определенной. Она появилась как большая машина с гоночной трассой, с несколькими источниками нагрева и дивертором, по сути, еще более крупная B-66. Строительство началось в 1958 году и было завершено в 1961 году. Ее можно было отрегулировать, чтобы обеспечить малую ось плазмы от 5 до 7,5 сантиметров (от 2,0 до 3,0 дюймов), и она была 1200 см (470 дюймов) в длину. Тороидальные катушки поля обычно работали при 35 000 гаусс. [26]
К тому времени, когда модель C начала работать, информация, собранная с предыдущих машин, ясно показывала, что она не сможет производить крупномасштабный синтез. Перенос ионов через линии магнитного поля был намного выше, чем предполагала классическая теория. Значительно увеличенные магнитные поля более поздних машин мало что сделали для решения этой проблемы, и время удержания просто не улучшалось. Внимание стало переключаться на гораздо больший акцент на теоретическом понимании плазмы. В 1961 году Мелвин Б. Готтлиб принял проект Маттерхорн от Спитцера, и 1 февраля проект был переименован в Принстонскую лабораторию физики плазмы (PPPL). [21]
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 нагрева, которые медленно увеличивали температуру. Среди них следует отметить добавление в 1964 году небольшого ускорителя частиц для ускорения ионов топлива до достаточно высокой энергии, чтобы пересекать магнитные поля, выделяя энергию внутри реактора, когда они сталкивались с другими ионами, уже находящимися внутри. [21] Этот метод нагрева, теперь известный как инжекция нейтрального пучка , с тех пор стал почти универсальным на машинах для термоядерного синтеза с магнитным удержанием . [27]
Модель C большую часть своей истории посвятила изучению переноса ионов. [21] Благодаря постоянной настройке магнитной системы и добавлению новых методов нагрева, в 1969 году модель C в конечном итоге достигла электронной температуры 400 эВ. [28]
В течение этого периода появилось несколько новых потенциальных конструкций стеллараторов, которые имели упрощенную магнитную компоновку. Модель C использовала отдельные катушки ограничения и спиральные катушки, поскольку это был эволюционный процесс по сравнению с оригинальной конструкцией, в которой были только катушки ограничения. Другие исследователи, особенно в Германии, отметили, что ту же общую конфигурацию магнитного поля можно было бы достичь с помощью гораздо более простой компоновки. Это привело к компоновке торсатрона или гелиотрона .
В этих конструкциях первичное поле создается одним спиральным магнитом, похожим на одну из спиральных обмоток «классического» стелларатора. В отличие от этих систем, требуется только один магнит, и он намного больше, чем в стеллараторах. Для создания чистого поля второй набор катушек, проходящих полоидально вокруг внешней стороны спирального магнита, создает второе вертикальное поле, которое смешивается со спиральным. Результатом является гораздо более простая компоновка, поскольку полоидальные магниты, как правило, намного меньше и между ними достаточно места для достижения внутренней части, тогда как в оригинальной компоновке тороидальные удерживающие магниты относительно большие и оставляют мало места между собой. [28] [29]
Дальнейшее обновление возникло из осознания того, что общее поле может быть создано с помощью ряда независимых магнитов, имеющих форму локального поля. Это приводит к ряду сложных магнитов, которые расположены подобно тороидальным катушкам исходной компоновки. Преимущество этой конструкции в том, что магниты полностью независимы; если один из них поврежден, его можно заменить по отдельности, не затрагивая остальную часть системы. Кроме того, можно перестроить общую компоновку поля, заменив элементы. Эти «модульные катушки» теперь являются основной частью текущих исследований.
В 1968 году ученые в Советском Союзе опубликовали результаты своих токамаков , в частности, их новейшего образца, Т-3. Результаты были настолько поразительными, что возник широкий скептицизм. Чтобы решить эту проблему, Советы пригласили группу экспертов из Соединенного Королевства, чтобы они сами испытали машины. Их испытания, проведенные с использованием лазерной системы, разработанной для реактора ZETA в Англии, подтвердили советские заявления о температуре электронов в 1000 эВ. За этим последовало «настоящее паническое бегство» строительства токамаков по всему миру. [30]
Сначала американские лаборатории игнорировали токамак; сам Спитцер сразу же отверг его как экспериментальную ошибку. Однако по мере поступления новых результатов, особенно отчетов Великобритании, Принстон оказался в положении, когда ему приходилось защищать стелларатор как полезную экспериментальную машину, в то время как другие группы со всех уголков США требовали финансирования для строительства токамаков. В июле 1969 года Готтлиб изменил свое мнение, предложив переделать модель C в макет токамака. В декабре он был закрыт и вновь открыт в мае как симметричный токамак (ST).
ST сразу же сравнялся с производительностью, наблюдаемой в советских машинах, превзойдя результаты Model C более чем в десять раз. С этого момента PPPL стал основным разработчиком подхода токамака в США, представив серию машин для тестирования различных конструкций и модификаций. Princeton Large Torus 1975 года быстро достиг нескольких показателей производительности, которые были необходимы для коммерческой машины, и широко считалось, 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, отличающейся от более ранних конструкций в первую очередь величиной тока в плазме: выше определенного порога, известного как коэффициент безопасности , или q , плазма становится намного более стабильной. ZETA работала при q около 1 ⁄ 3 , в то время как эксперименты на токамаках показали, что он должен быть не менее 1. Машины, следующие этому правилу, показали значительно улучшенную производительность. Однако к середине 1980-х годов легкий путь к термоядерному синтезу исчез; по мере того, как величина тока в новых машинах начала увеличиваться, появился новый набор нестабильностей в плазме. Их можно было устранить, но только значительно увеличив мощность магнитных полей, что потребовало сверхпроводящих магнитов и огромных объемов удержания. Стоимость такой машины была такова, что вовлеченные стороны объединились, чтобы начать проект ITER .
По мере того, как проблемы с подходом токамака росли, интерес к подходу стелларатора вновь возник. [2] Это совпало с разработкой современных инструментов автоматизированного планирования, которые позволили создавать сложные магниты, которые были известны ранее, но считались слишком сложными для проектирования и изготовления. [31] [32]
Новые материалы и методы строительства повысили качество и мощность магнитных полей, улучшив производительность. Для проверки этих концепций были построены новые устройства. Основные примеры включают Wendelstein 7-X в Германии, Helically Symmetric Experiment (HSX) в США и Large Helical Device в Японии. W7X и LHD используют сверхпроводящие магнитные катушки .
Отсутствие внутреннего тока устраняет некоторые нестабильности токамака, то есть стелларатор должен быть более стабильным при аналогичных рабочих условиях. С другой стороны, поскольку ему не хватает ограничения, обеспечиваемого током, имеющимся в токамаке, стелларатору требуются более мощные магниты для достижения любого заданного ограничения. Стелларатор по своей сути является машиной с устойчивым состоянием, что имеет ряд преимуществ с инженерной точки зрения.
В рамках возобновления усилий по развитию термоядерной энергетики примерно с 2018 года появились частные проекты стеллараторов, которые по количеству конкурируют с проектами токамаков, хотя и гораздо менее развиты, [33], такими как Renaissance Fusion [34] и Proxima Fusion, базирующимся в Мюнхене ответвлением Института физики плазмы Общества Макса Планка, который руководил экспериментом W7-X. [35]
Нагревание газа увеличивает энергию частиц внутри него, поэтому при нагревании газа до сотен миллионов градусов большинство частиц внутри него достигают энергии, необходимой для синтеза. Согласно распределению Максвелла-Больцмана , некоторые частицы достигнут требуемых энергий при гораздо более низких средних температурах. Поскольку энергия, выделяемая реакцией синтеза, намного больше той, которая требуется для ее начала, даже небольшое количество реакций может нагревать окружающее топливо до тех пор, пока оно также не сольется. 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). [36]
Материалы, нагретые выше нескольких десятков тысяч градусов, ионизируются в свои электроны и ядра , создавая газообразное состояние вещества, известное как плазма . Согласно закону идеального газа , как и любой горячий газ, плазма имеет внутреннее давление и поэтому стремится расшириться. [37] Для термоядерного реактора задача состоит в том, чтобы удерживать плазму. В магнитном поле электроны и ядра вращаются вокруг линий магнитного поля, ограничивая их областью, определяемой полем. [38] [39]
Простую систему удержания можно сделать, поместив трубку внутрь открытого сердечника соленоида . Трубку можно откачать, а затем заполнить необходимым газом и нагреть до тех пор, пока она не станет плазмой. Плазма естественным образом стремится 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 к сторонам. К сожалению, такое расположение не ограничит плазму по длине трубки , и плазма будет свободно вытекать из концов. [40]
Очевидным решением этой проблемы является сгибание трубки в форму тора (кольца или бублика). [40] Движение к сторонам остается ограниченным, как и прежде, и хотя частицы остаются свободными для перемещения вдоль линий, в этом случае они будут просто циркулировать вокруг длинной оси трубки. Но, как указал Ферми, [f] когда соленоид сгибается в кольцо, электрические обмотки будут ближе друг к другу внутри, чем снаружи. Это приведет к неравномерному полю поперек трубки, и топливо будет медленно дрейфовать из центра. Поскольку электроны и ионы будут дрейфовать в противоположных направлениях, это приведет к разделению зарядов и электростатическим силам, которые в конечном итоге превзойдут магнитную силу. Некоторая дополнительная сила должна противодействовать этому дрейфу, обеспечивая долгосрочное удержание . [7] [40]
Ключевая концепция Спитцера в конструкции стелларатора заключается в том, что дрейф, который заметил Ферми, может быть нейтрализован посредством физического расположения вакуумной трубки. В торе частицы на внутреннем крае трубки, где поле сильнее, будут дрейфовать вверх, в то время как те, что снаружи, будут дрейфовать вниз (или наоборот). Однако, если частица будет попеременно перемещаться между внутренней и внешней частью трубки, дрейфы будут попеременно перемещаться вверх и вниз и нейтрализуются. Аннулирование не идеально, оставляя некоторый чистый дрейф, но основные расчеты предполагают, что дрейф будет достаточно снижен, чтобы удерживать плазму достаточно долго, чтобы нагреть ее в достаточной степени. [42]
Предложение Спитцера сделать это было простым. Вместо обычного тора, устройство по сути разрезалось пополам, чтобы получить два полутора. Затем они соединялись двумя прямыми секциями между открытыми концами. Ключевым моментом было то, что они были соединены с чередующимися концами так, что 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 было еще больше уменьшено, но опять же, расчеты предполагали, что система будет работать. [43]
Чтобы понять, как система работает для противодействия дрейфу, рассмотрим путь одной частицы в системе, начинающейся в одной из прямых секций. Если эта частица идеально отцентрирована в трубке, она будет перемещаться вниз по центру в один из полуторов, выходить в центр следующей трубки и так далее. Эта частица совершит петлю вокруг всего реактора, не покидая центра. Теперь рассмотрим другую частицу, движущуюся параллельно первой, но изначально расположенную вблизи внутренней стенки трубки. В этом случае она войдет во внешний край полутора и начнет дрейфовать вниз. Она выходит из этой секции и входит во вторую прямую секцию, все еще находясь на внешнем крае этой трубки. Однако, поскольку трубки пересекаются, когда она достигает второго полутора, она входит в него на внутреннем крае. По мере прохождения через эту секцию она снова дрейфует вверх. [44]
Этот эффект уменьшил бы одну из основных причин дрейфа в машине, но были и другие, которые следует учитывать. 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 между частицами, вращающимися вокруг разных силовых линий, когда они циркулируют через реактор, что по чисто геометрическим причинам заставляет топливо медленно дрейфовать 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 ввел концепцию дивертора , магнита, размещенного вокруг трубки, который оттягивает самый внешний слой плазмы. Это удаляет ионы до того, как они дрейфуют слишком далеко и ударяются о стенки. Это также удаляет любые более тяжелые элементы в плазме. [45]
Используя классические вычисления, скорость диффузии через столкновения была достаточно низкой, чтобы быть намного ниже дрейфа из-за неравномерных полей в обычном тороиде. Но более ранние исследования магнитно-удерживаемой плазмы в 1949 году продемонстрировали гораздо более высокие потери и стали известны как диффузия Бома . Спитцер потратил значительные усилия на изучение этого вопроса и пришел к выводу, что аномальная скорость, наблюдаемая Бомом, была вызвана нестабильностью в плазме, которую, как он считал, можно было решить. [46]
Одной из главных проблем для первоначальной концепции стелларатора является то, что магнитные поля в системе будут должным образом ограничивать только частицу заданной массы, движущуюся с заданной скоростью. Частицы, движущиеся быстрее или медленнее, не будут циркулировать желаемым образом. Частицы с очень низкими скоростями (соответствующими низким температурам) не ограничиваются и могут дрейфовать к стенкам трубки. Те, у кого слишком много энергии, могут ударяться о внешние стенки изогнутых секций. Чтобы решить эти проблемы, Спитцер ввел концепцию дивертора , который соединялся бы с одной из прямых секций. По сути, это был масс-спектрометр , который удалял бы частицы, движущиеся слишком быстро или слишком медленно для надлежащего ограничения. [45]
Физическое ограничение, что два прямых участка не могут пересекаться, означает, что вращательное преобразование внутри петли не является идеальным 180 градусами, но обычно ближе к 135 градусам. Это привело к альтернативным конструкциям в попытке приблизить угол к 180. Ранняя попытка была встроена в Stellarator B-2, который поместил оба изогнутых участка плоскими по отношению к земле, но на разной высоте. Ранее прямые участки имели дополнительные вставленные изгибы, два участка примерно по 45 градусов, так что теперь они образовывали расширенные S-образные формы. Это позволило им маршрутизироваться вокруг друг друга, будучи при этом совершенно симметричными с точки зрения углов.
Лучшее решение для необходимости вращения частиц было введено в Stellarator B-64 и B-65. Они устранили кроссовер и сплющили устройство в овал, или, как они его называли, гоночную дорожку. Вращение частиц было введено путем размещения нового набора магнитных катушек на полуторе с обоих концов, спиральных обмоток . Поле от этих катушек смешивается с исходными полями ограничения, чтобы создать смешанное поле, которое вращает силовые линии на 180 градусов. Это сделало механическую конструкцию реактора намного проще, но на практике было обнаружено, что смешанное поле было очень трудно создать идеально симметричным образом.
Современные конструкции стеллараторов обычно используют более сложную серию магнитов для создания единого поля определенной формы. Обычно это выглядит как скрученная лента. Различия между конструкциями обычно сводятся к тому, как магниты расположены для создания поля, и к точному расположению результирующего поля. Было разработано множество различных схем, и некоторые из них были испытаны.
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 сам ток является одним из основных методов нагрева плазмы. В стеллараторе такой естественный источник нагрева отсутствует.
Ранние конструкции стеллараторов использовали систему, похожую на те, что использовались в устройствах пинча, для обеспечения начального нагрева, чтобы довести газ до температур плазмы. Она состояла из одного набора обмоток от трансформатора , при этом сама плазма образовывала вторичный набор. При подаче энергии импульсом тока частицы в области быстро заряжаются и начинают двигаться. Это приносит дополнительный газ в область, быстро ионизируя всю массу газа. Эта концепция называлась омическим нагревом , поскольку она полагалась на сопротивление газа для создания тепла, в манере, не отличающейся от обычного резистивного нагревателя . По мере повышения температуры газа проводимость плазмы улучшается. Это делает процесс омического нагрева все менее и менее эффективным, и эта система ограничена температурами около 1 миллиона кельвинов. [47]
Чтобы нагреть плазму до более высоких температур, Спитцер предложил второй источник тепла, систему магнитной накачки . Она состояла из радиочастотного источника, питаемого через катушку, разбросанную 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 с большим радиусом. Поскольку другие частицы вращаются по своим собственным линиям поблизости, на макроскопическом уровне это изменение энергии проявляется как увеличение давления. [45] Согласно закону идеального газа , это приводит к повышению температуры. Подобно омическому нагреву, этот процесс также становится менее эффективным по мере повышения температуры, но все еще способен создавать очень высокие температуры. Когда частота намеренно устанавливается близкой к частоте циркуляции ионов, это известно как ионно-циклотронный резонансный нагрев , [48] хотя этот термин не был широко использован в то время.
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 гораздо более высокую производительность. [49] Соотношение сторон - это сравнение радиуса устройства в целом с радиусом поперечного сечения вакуумной трубки. Идеальный реактор не имел бы отверстия в центре, минимизируя соотношение сторон. Современный сферический токамак доводит это до своего практического предела, уменьшая центральное отверстие до одного металлического столба, удлиняя поперечное сечение трубки по вертикали, создавая общую форму, которая почти сферическая и имеет соотношение меньше 2. Устройство MAST в Великобритании, одно из самых мощных из этих конструкций, имеет соотношение 1,3. [50]
Стеллараторам обычно требуются сложные магниты для создания желаемого поля. В ранних примерах это часто было в форме нескольких различных наборов магнитов, сложенных друг на друга. В то время как современные конструкции объединяют их вместе, полученные конструкции часто требуют значительного пространства вокруг них. Это ограничивает размер внутреннего радиуса до чего-то гораздо большего, чем в современных токамаках, поэтому они имеют относительно большие соотношения сторон. Например, W7-X имеет соотношение сторон 10, [51] что приводит к очень большому общему размеру. Существуют некоторые новые компоновки, которые направлены на уменьшение соотношения сторон, но они остаются непроверенными по состоянию на 2023 год [обновлять], и уменьшение все еще далеко от уровня, наблюдаемого в современных токамаках. [52]
В производственной конструкции магниты должны быть защищены от нейтронов с энергией 14,1 МэВ , образующихся в результате реакций синтеза. Обычно это достигается с помощью использования бланкета для размножения , слоя материала, содержащего большое количество лития . Чтобы захватить большую часть нейтронов, бланкет должен быть толщиной около 1-1,5 метра, что отдаляет магниты от плазмы и, следовательно, требует, чтобы они были более мощными, чем те, что установлены на экспериментальных машинах, где они непосредственно выстилают внешнюю часть вакуумной камеры. Обычно это решается путем масштабирования машины до чрезвычайно больших размеров, так что разделение ~10 сантиметров, обнаруженное в меньших машинах, линейно масштабируется примерно до 1 метра. Это приводит к тому, что машина становится намного больше, вырастая до непрактичных размеров. [52] Конструкции с меньшими соотношениями сторон, которые масштабируются быстрее, могли бы в некоторой степени решить этот эффект, но конструкции таких систем, как ARIES-CS, огромны, около 8 метров в радиусе с относительно высоким соотношением сторон около 4,6. [53]
Сложные магниты стелларатора объединяются вместе, чтобы создать желаемую форму поля. Это требует чрезвычайно жестких допусков позиционирования, что увеличивает стоимость строительства. Именно эта проблема привела к отмене Национального эксперимента по компактному стелларатору в США , или NCSX, который был экспериментальной конструкцией с низким аспектом с отношением 4,4. Для правильной работы максимальное отклонение в размещении по всей машине составляло 1,5 миллиметра (0,059 дюйма). После сборки было обнаружено, что этого невозможно достичь, даже естественное провисание компонентов с течением времени превышало допустимый предел. Строительство было отменено в 2008 году, что поставило под сомнение будущее PPPL. [54]
Наконец, ожидается, что конструкции стелларатора будут пропускать около 5% генерируемых альфа-частиц , увеличивая нагрузку на компоненты реактора, обращенные к плазме. [55]
Существует несколько способов нагрева плазмы (что необходимо сделать до того, как произойдет воспламенение).
Существует несколько различных конфигураций стелларатора, в том числе:
.png/1280px-Advanced_Toroidal_Facility,_1986_(49743086486).png)
Целью устройств магнитного удержания является минимизация переноса энергии через магнитное поле. Тороидальные устройства относительно успешны, поскольку магнитные свойства, наблюдаемые частицами, усредняются по мере их перемещения вокруг тора. Однако сила поля, наблюдаемого частицей, обычно варьируется, так что некоторые частицы будут захвачены зеркальным эффектом . Эти частицы не смогут усреднять магнитные свойства столь эффективно, что приведет к увеличению переноса энергии. В большинстве стеллараторов эти изменения в силе поля больше, чем в токамаках, что является основной причиной того, что перенос в стеллараторах, как правило, выше, чем в токамаках.
Профессор электротехники Университета Висконсина Дэвид Андерсон и научный сотрудник Джон Каник доказали в 2007 году, что Helically Symmetric eXperiment (HSX) может преодолеть этот главный барьер в исследовании плазмы. HSX является первым стелларатором, использующим квазисимметричное магнитное поле. Команда спроектировала и построила HSX с прогнозом, что квазисимметрия уменьшит перенос энергии. Как показали последние исследования команды, это именно то, что он делает. «Это первая демонстрация того, что квазисимметрия работает, и вы действительно можете измерить уменьшение переноса, которое вы получаете», — говорит Каник. [60] [61]
Более новый Wendelstein 7-X в Германии был спроектирован так, чтобы быть близким к всемогуществу (свойство магнитного поля, при котором средний радиальный дрейф равен нулю), что является необходимым, но не достаточным условием для квазисимметрии; [62] то есть все квазисимметричные магнитные поля всемогущи, но не все всемогущие магнитные поля квазисимметричны. Эксперименты на стеллараторе Wendelstein 7-X выявили аномальную диффузию, вызванную турбулентностью. [63] Оптимизированное магнитное поле W7-X показало эффективный контроль тока бутстрепа и сниженный неоклассический перенос энергии, что обеспечивает высокотемпературные плазменные условия и рекордные значения термоядерного синтеза, а также более длительное время удержания примесей во время фаз с подавленной турбулентностью. Эти результаты подчеркивают успех оптимизации магнитного поля в стеллараторах. [64] [65] [66]
В Wendelstein 7-X островной дивертор успешно стабилизировал сценарии отрыва плазмы и уменьшил тепловые потоки на мишенях дивертора. [67] [68] Эта топология имеет несколько смежных областей встречного потока, которые могут уменьшить скорость потока параллельно линиям магнитного поля, что приводит к существенному смягчению теплового потока. [69] Выброс мощности излучения путем засевания примесей был продемонстрирован в конфигурациях островного дивертора, что привело к стабильной работе плазмы и уменьшению тепловой нагрузки дивертора. [70] Это делает островной дивертор многообещающим решением для будущего управления отрывом в сценариях с высокой производительностью и модернизации в сторону металлического дивертора. [71] Краевая магнитная структура в квазивсемогущих и спирально-симметричных стеллараторах, таких как W7-X и HSX, оказывает значительное влияние на загрузку частиц и выхлоп. Было показано, что цепь магнитных островов может использоваться для управления загрузкой плазмы из источника рециркуляции и впрыска активного газа. [72]
Устройство MUSE в Принстонской лаборатории физики плазмы использует в основном готовые детали, такие как постоянные магниты 10k , для создания стелларатора для использования в исследованиях. Магниты встроены в 3D-печатную нейлоновую матрицу. Он использует метод магнитного поверхностного заряда . Было обнаружено, что пиковое внутреннее напряжение составляет менее 7 МПа. Это первый квазиосесимметричный эксперимент . [73]
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )