stringtranslate.com

Вендельштейн 7-X

Схема стелларатора - система катушек (синяя), плазма (желтая), силовая линия магнитного поля (зеленая) на поверхности плазмы.
Исследовательский комплекс Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, экспериментальный зал слева.
Сверхпроводящие линии питания прикрепляются к сверхпроводящим планарным катушкам, 2008 г.
Строительство в мае 2012 года. Виден тор, смещенный в испытательную камеру, и большой мостовой кран. Обратите внимание на рабочих для масштаба.
Широкоугольный вид внутри стелларатора , показывающий крышки из нержавеющей стали и медные опорные пластины с водяным охлаждением, которые в конечном итоге будут покрыты графитовыми плитками и будут выполнять функцию брони для защиты от взаимодействия плазмы со стеной.

Реактор Вендельштейна 7-X (сокращенно W7-X ) — это экспериментальный стелларатор , построенный в Грайфсвальде , Германия , Институтом физики плазмы Макса Планка (IPP) и завершенный в октябре 2015 года. [1] [2] Его цель — передовая технология стелларатора: хотя этот экспериментальный реактор не будет производить электричество, 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 Вендельштейна 7-X является крупнейшим в мире стелларатором. [3] После двух успешных этапов эксплуатации, завершившихся в октябре 2018 года, реактор был выведен из эксплуатации для модернизации. [4] [5] Модернизация завершилась в 2022 году. Новые эксперименты по термоядерному синтезу в феврале 2023 года продемонстрировали более длительное удержание и увеличенную мощность. [6] Целью этого этапа является постепенное увеличение мощности и продолжительности непрерывного плазменного разряда до 30 минут, тем самым демонстрируя важную особенность будущей термоядерной электростанции: непрерывную работу. [7] [8]

Название проекта, отсылающее к горе Вендельштайн в Баварии, было выбрано в конце 1950-х годов, отсылая к предыдущему проекту Принстонского университета под названием Project Matterhorn . [9]

Исследовательский центр является независимым партнерским проектом Института физики плазмы Макса Планка и Университета Грайфсвальда .

Конструкция и основные компоненты

Устройство Wendelstein 7-X основано на конфигурации Helias с пятью полями и периодами . В основном это тороид , состоящий из 50 неплоских и 20 плоских сверхпроводящих магнитных катушек высотой 3,5 м, которые индуцируют магнитное поле , препятствующее столкновению плазмы со стенками реактора. 50 неплоских катушек используются для регулировки магнитного поля. Он стремится к плотности 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 , плазменная камера, дивертор и системы нагрева. [11]

Катушки ( NbTi в алюминии [11] ) расположены вокруг теплоизоляционной оболочки диаметром 16 метров, называемой криостатом. Охлаждающее устройство производит достаточно жидкого гелия, чтобы охладить магниты и их корпус (около 425 тонн «холодной массы») до температуры сверхпроводимости (4 К [12] ). Катушки будут проводить ток 12,8 кА и создавать поле силой до 3  Тл . [12]

Плазменный сосуд, состоящий из 20 частей, внутри подогнан под сложную форму магнитного поля. Имеет 254 порта (отверстия) для нагрева плазмы и наблюдательной диагностики. Вся установка состоит из пяти практически одинаковых модулей, собранных в экспериментальном зале. [11]

Система нагрева [13] включает мощные гиротроны электронного циклотронного резонансного нагрева (ЭЦРН), которые будут обеспечивать до 15 МВт нагрева плазмы. [14] На этапе эксплуатации 2 (ОП-2), после завершения полной брони/водяного охлаждения, также будет доступно до 8 мегаватт инжекции нейтрального луча 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 температуры электронов и ионов, а также профили важных плазменных примесей и радиальных электрических поле, возникающее в результате переноса электронов и ионов. [17]

История

Соглашение о финансировании проекта со стороны Германии было согласовано в 1994 году, в результате чего в северо-восточной части недавно интегрированной Восточной Германии был создан Грайфсвальдский филиал института IPP . Его новое здание было завершено в 2000 году. Первоначально предполагалось, что строительство стелларатора завершится в 2006 году. Сборка началась в апреле 2005 года. На устранение проблем с катушками ушло около 3 лет. [11] График сместился на конец 2015 года. [11] [18] [19]

Американский консорциум из трех лабораторий (Принстон, Ок-Ридж и Лос-Аламос) стал партнером проекта, заплатив 6,8 миллиона евро из общей стоимости в 1,06 миллиарда евро. [20] В 2012 году Принстонский университет и Общество Макса Планка объявили о создании нового совместного исследовательского центра по физике плазмы, [21] который будет включать исследования W7-X.

Окончание этапа строительства, на который потребовалось более 1 миллиона часов сборки, [22] было официально отмечено церемонией открытия 20 мая 2014 года. [23] После периода проверки сосудов на герметичность, начавшегося летом 2014 года, криостат был вакуумирован , а испытания магнита были завершены в июле 2015 года. [12]

Первая фаза эксплуатации (OP1.1) началась 10 декабря 2015 года. [24] В этот день реактор успешно произвел гелиевую плазму (с температурой около 1 МК) в течение примерно 0,1 с. Для этого первоначального испытания, когда в вакуумированный плазменный резервуар вводили около 1 мг газообразного гелия , применялся микроволновый нагрев коротким импульсом мощностью 1,3 МВт. [25]

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

В декабре и январе было произведено более 300 разрядов гелия с постепенным повышением температуры, наконец достигшей шести миллионов градусов Цельсия, для очистки стенок вакуумных сосудов и проверки плазменных диагностических систем. Затем, 3 февраля 2016 года, создание первой водородной плазмы положило начало научной программе. Плазма с самой высокой температурой создавалась с помощью импульсов микроволнового нагревателя мощностью четыре мегаватта длительностью одну секунду; температура электронов плазмы достигала 100 МК, а температура ионов - 10 МК. Перед остановкой было проведено более 2000 импульсов. [27]

В ходе этой первой кампании основными компонентами, обращенными к плазме, служили пять ограничителей из полоидального графита (вместо диверторных модулей). Экспериментальные наблюдения подтвердили предсказания 3D-моделирования, которые показали характер осаждения тепла и потока частиц на ограничителях в четкой корреляции с длинами открытых силовых линий магнитного поля на границе плазмы. [28] [29]

Такие испытания планировалось продолжать около месяца с последующей плановой остановкой для открытия вакуумного сосуда, футеровки 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.

В 2017 году продолжился первый этап эксплуатации (OP1.2) [34] для испытаний (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 × 10 20 частиц/м 3 и время удержания 0,2 секунды дали рекордный продукт термоядерного синтеза 6 × 10 26 градус-секунд на кубический метр. [37]

Во время последних экспериментов 2018 года плотность достигала 2×10 20 частиц/м 3 при температуре 20 миллионов градусов. При хороших показателях плазмы была получена долговечная плазма с длительным временем разряда 100 секунд. Энергетическое содержание превысило 1 мегаджоуль. [38] [39] [40] [41]

В 2021 году анализ данных рентгеновского спектрометра, собранных в ходе эксперимента 2018 года, существенно уменьшил тревожные неоклассические транспортные теплопотери. Столкновения между нагретыми частицами заставляют некоторые из них покидать магнитное поле. Это произошло благодаря оптимизации магнитного поля, которая была необходима для достижения рекордных результатов. [42] [43]

График

Финансирование

Финансовая поддержка проекта составляет около 80% от Германии и около 20% от Евросоюза. 90% немецкого финансирования поступает от федерального правительства и 10% от правительства земли Мекленбург-Передняя Померания . Общий объем инвестиций в сам стелларатор в 1997–2014 годах составил 370 миллионов евро, а общая стоимость объекта IPP в Грайфсвальде, включая инвестиции плюс эксплуатационные расходы (персонал и материальные ресурсы), составила 1,06 миллиарда евро за этот 18-летний период. Это превысило первоначальную бюджетную смету, главным образом потому, что начальный этап разработки оказался дольше, чем ожидалось, что привело к удвоению затрат на персонал. [49]

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

Сотрудничающие институты

Евросоюз

Соединенные Штаты

Япония

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Введение - стелларатор Wendelstein 7-X Проверено 5 ноября 2014 г.
  2. ↑ Клери, Дэниел (21 октября 2015 г.). «Причудливый реактор, который может спасти ядерный синтез». сайт sciencemag.org . Научный журнал . Проверено 25 октября 2015 г.
  3. ^ «Wendelstein 7-X достигает мирового рекорда» . Институт физики плазмы Макса Планка . Проверено 27 декабря 2022 г.
  4. ^ «Второй этап экспериментов». Институт физики плазмы Макса Планка . Проверено 26 сентября 2022 г.
  5. ^ Мильх, Изабелла. «Сварочный аппарат Wendelstein 7-X в Грайфсвальде будет модернизирован». Институт физики плазмы Макса Планка . Проверено 26 сентября 2022 г.
  6. ^ ab «Wendelstein 7-X достигает важной вехи: мощная плазма с оборотом энергии в гигаджоули, вырабатываемая за восемь минут» . 22 февраля 2023 г.
  7. ^ idw-online.de: Федеральный министр исследований Старк-Ватцингер и министр Мартин посещают IPP Грайфсвальд, резервная копия: Цитата: «...После двух успешных начальных этапов эксплуатации термоядерное устройство Wendelstein 7-X было дополнительно расширено. Этот последний шаг , который модернизирует машину для демонстрации импульсов плазмы длительностью до 30 минут с увеличенной мощностью нагрева, уже завершен и Wendelstein 7-X. Внутренняя оболочка с водяным охлаждением и новая центральная часть, дивертор с водяным охлаждением, дополняют Устройство. Осенью 2022 года Wendelstein 7-X снова вступит в строй..."
  8. ^ ipp.mpg.de: Wendelstein 7-X на пороге нового пика производительности: Цитата: «...Начиная с осени 2022 года международная команда ученых снова поднимет W7-X на новые высоты производительности». усовершенствованное оборудование, мы хотим иметь возможность поддерживать высокопроизводительную плазму с оборотом энергии до 18 гигаджоулей стабильно в течение получаса в течение нескольких лет», [...] приближаясь к этой цели шаг за шагом и узнавая больше о работе плазмы при более высоких энергиях без слишком быстрой слишком большой нагрузки на машину, [...]"
  9. ^ WI-A, WI-B, WII-A, WII-B, W7-A: Г. Григер; Х. Реннер; Х. Вобиг (1985), «Стеллараторы Вендельштейна», Nuclear Fusion (на немецком языке), том. 25, нет. 9, с. 1231, номер документа : 10.1088/0029-5515/25/9/040, S2CID  250832456
  10. ^ «Физика, технологии и состояние устройства Wendelstein 7-X» (PDF) .
  11. ^ abcde Клингер, Томас (14 апреля 2011 г.). «Стеллараторы сложно построить? Строительство Wendelstein 7-X» (PDF) . Проверено 13 июня 2011 г.53 слайда – много фотографий
  12. ^ abc «Испытания магнита на Wendelstein 7-X успешно завершены» . 7 июля 2015 г. Архивировано из оригинала 16 июля 2015 г.
  13. ^ «Нагрев и оптимизация Стелларатора» . Проверено 10 декабря 2015 г.
  14. ^ «Микроволновое отопление - ECRH» . Проверено 10 декабря 2015 г.
  15. ^ «Инжекторный нагрев нейтральным лучом (NBI)» . Проверено 10 декабря 2015 г.
  16. ^ «Ионно-циклотронный резонансный нагрев (ICRH)» . Проверено 10 декабря 2015 г.
  17. ^ «Диагностика профиля» . Проверено 10 декабря 2015 г.
  18. ↑ Арну, Робер (15 апреля 2011 г.). «Стеллараторный ренессанс» . Проверено 13 июня 2011 г.
  19. ↑ Джеффри, Колин (25 октября 2015 г.). «Стелларатор Wendelstein 7-x представляет новый взгляд на энергию ядерного синтеза» . www.gizmag.com . Проверено 27 октября 2015 г.
  20. ^ «США сужают фокус исследований в области термоядерного синтеза и присоединяются к немецкому стелларатору» . 1 сентября 2011 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ «Принстон, Общество Макса Планка запускает новый исследовательский центр по физике плазмы» . 29 марта 2012 года. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 19 августа 2013 г.
  22. ^ «Начало научных экспериментов на термоядерном устройстве Wendelstein 7-X» . физ.орг . 7 июня 2016 г. Проверено 11 октября 2016 г.
  23. ↑ Мильх, Изабелла (12 мая 2014 г.). «Подготовка к запуску Wendelstein 7-X» . Проверено 16 мая 2014 г.
  24. ^ abcde «Информационный бюллетень Wendelstein 7-X № 13 / апрель 2017 г.» (PDF) .
  25. ^ «Первая плазма: термоядерное устройство Wendelstein 7-X сейчас работает» . Институт физики плазмы Макса Планка. 10 декабря 2015 года . Проверено 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.). «Т. Сунн Педерсен и др. 2015 Nucl. Fusion 55 126001». Термоядерная реакция . 55 (12): 126001. дои : 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» . физ.орг . 11 июля 2016 года . Проверено 11 октября 2016 г.
  28. ^ «Ф. Эффенберг и др. 2017 Nucl. Fusion 57 036021» (PDF) . дои : 10.1088/1741-4326/aa4f83. S2CID  125707430. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  29. ^ "GA Wurden et al 2017 Nucl. Fusion 57 056036" . дои : 10.1088/1741-4326/aa6609. hdl : 11584/213558 . S2CID  126252486. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  30. ^ «Термоядерное устройство Wendelstein 7-X производит свою первую водородную плазму» . Институт физики плазмы Макса Планка. 3 февраля 2016 г. Проверено 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; Бандуч, Мартин; Барбуи, Туллио; Бейдлер, Крейг; Бенндорф, Андре; Берскенс, Марк; Биль, Вольфганг; Бирус, Дитрих; Блэквелл, Бойд; Бланко, Эмилио; Блатцхайм, Марко; и другие. (2016). «Подтверждение топологии магнитного поля Вендельштейна 7-X с точностью лучше 1: 100 000». Природные коммуникации . 7 : 13493. Бибкод : 2016NatCo...713493P. doi : 10.1038/ncomms13493. ПМК 5141350 . ПМИД  27901043. 
  32. ^ «Испытания подтверждают, что огромная немецкая термоядерная машина действительно работает» . НаукаАлерт . 6 декабря 2016 года . Проверено 7 декабря 2016 г.
  33. ^ Вольф, RC; и другие. (27 июля 2017 г.). «RC Wolf и др. 2017 Nucl. Fusion 57 102020». Термоядерная реакция . 57 (10): 102020. doi : 10.1088/1741-4326/aa770d . hdl : 2434/616000 . S2CID  1986901.
  34. ^ "Wendelstein 7-X: начало шляпы 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.; Хёфель, 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.). «Работа плазмы стелларатора Wendelstein 7-X на первом этапе работы дивертора». Физика плазмы . 26 (8): 082504. Бибкод : 2019PhPl...26h2504W. дои : 10.1063/1.5098761 . hdl : 1721.1/130063 . S2CID  202127809.
  36. ^ "С. Брезонсек и др. 2022 Nucl. Fusion 62 016006" . дои : 10.1088/1741-4326/ac3508 . S2CID  240484560. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  37. ^ «Wendelstein 7-X установил мировой рекорд по производству термоядерного продукта» Phys.org, 25 июня 2018 г.
  38. ^ «Успешный второй раунд экспериментов с Wendelstein 7-X» . www.ipp.mpg.de. ​Проверено 22 марта 2019 г.
  39. ↑ Лаварс, Ник (26 ноября 2018 г.). «Термоядерный реактор Wendelstein 7-X сохраняет хладнокровие на пути к рекордным результатам». newatlas.com . Проверено 1 декабря 2018 г.
  40. ^ "Т. Клингер и др. 2019 Nucl. Fusion 59 112004" . дои : 10.1088/1741-4326/ab03a7 . HDL : 2434/653115 . S2CID  128140454. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  41. ^ Сунн Педерсен, Томас; и другие. (апрель 2022 г.). «Томас Сунн Педерсен и др. 2022 Nucl. Fusion 62 042022». Термоядерная реакция . 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.). «Термоядерный реактор Вендельштейн 7-X на пути к плазме, вдвое более горячей, чем Солнце». Новый Атлас . Проверено 2 сентября 2021 г.
  44. ^ «Вехи». www.ipp.mpg.de.​
  45. ^ Григер, Г.; Реннер, Х.; Вобиг, Х. (1985). «Стеллараторы Вендельштейна». Термоядерная реакция . 25 (9): 1231–1242. дои : 10.1088/0029-5515/25/9/040. ISSN  0029-5515. S2CID  250832456.
  46. ^ «Д. Хатирамани и др. 2018 Fusion Engineering and Design 136 304-308» (PDF) . дои : 10.1016/j.fusengdes.2018.02.013 . {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  47. ^ «Wendelstein 7-X достигает мирового рекорда» . www.ipp.mpg.de. ​Проверено 30 июня 2018 г.
  48. ↑ Джулия 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 Мильч (7 июля 2011 г.). «США присоединяются к термоядерному проекту Wendelstein 7-X». Институт физики плазмы Макса Планка . Проверено 4 февраля 2016 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме Вендельштейна 7-X .

54 ° 04'23 "N 13 ° 25'26" E  /  54,073 ° N 13,424 ° E  / 54,073; 13.424