Ако сте чували за енергията на термоядрения синтез, вероятно сте чували и за токамаците. Тези устройства с форма на поничка трябва да задържат йонизираните газове, наречени плазма с помощта на магнитни полета, докато ги загряват до умопомрачителните температури, необходими за сливането на водородните ядра. Токамаците са товарните коне на термоядрената енергетика - солидни, симетрични и сравнително лесни за проектиране - въпреки това напредъка свързан с тях е доста бавен.
Сега обаче нещата са на път да се променят, докато друг играч излиза на сцената. Във високотехнологична лаборатория в Североизточна Германия, учените се подготвят да включат най-голямото по рода си термоядрено устройство, наречено стеларатор (stellarator). Машината на стойност 1 милиард евро, известна още като Wendelstein 7-X (W7-X) представлява дебел пръстен от блестящ метал, широк 16 метра, по който са прикрепени устройства във всякакви форми и размери, неизброимо количество кабели тръгващи в неизвестни посоки, а множество инженери щъкат наоколо и извършват различни дейности тук-там. Донякъде прилича на космическия кораб на Хан Соло от Междузвездни войни (Хилядолетния Сокол) оставен за ремонт след сблъсък с Имперската флота. Вътре има 50 на брой 6-тонни магнитни намотки, странно увити около цялата структура сякаш някой гигант ги е стъпкал.
Въпреки че стелараторите са сходни на токамаците по принцип на действие, те дълго време са били пренебрегвани при изследванията на енергията на термоядрения синтез, тъй като токамаците са по-добри в задържането на газа и поддържането на необходимата топлина за осъществяване на термоядрените реакции. Тези сложни устройства обаче имат много качества, които може да ги направят по-добра алтернатива за бъдещите комерсиални термоядрени електроцентрали: След като веднъж се стартират, стелараторите работят по-стабилно и не страдат от един от основните проблеми на токамаците - потенциалните нарушения в магнитното поле, което е толкова силно, че може да изкриви металните елементи. За нещастие, те са кошмарно трудни за изграждане, което ги прави дори по-податливи на преразход и забавяния спрямо началния проект, всравнение с другите фюжън проекти. "Никой не може да си представи какво коства да се построи един стеларатор", разказва Томас Клингер, ръководител на научния екип в Германия.
W7-X може да стане причина за важен технологичен обрат. Машината, която се помещава в специален комплекс в Института по физика на плазмата Макс Планк (IPP), който се ръководи от Клингер, очаква официално одобрение за стартиране през ноември. Това е първия едро-мащабен модел на нова серия стеларатори, проектирани с помощта на суперкомпютри, в които са разрешени повечето проблеми по задържане на плазмата. Ако W7-X постигне същата или дори надмине ефективността на сходен по размер токамак, може би ще се наложи изследователите да преосмислят бъдещето на термоядрената енергетика. "Хората занимаващи се с токамаци очакват да видят какво ще се случи. Всички по света са много развълнувани около предстоящия старт на W7-X," коментира инженерът Дейвид Андерсън от Уисконсинския университет в Мадисън.
Устройство на Wendelstein 7-X. Червените пръстени около торуса на реактора са свръхпроводимите магнити, които ще контролират формата, целостта и траекторията на движение на частиците в плазмата (означена в синьо на най-долната илюстрация). Жълтите магнити ще осъществяват допълнителен още по-фин контрол. За да добиете представа за размера на реактора е поставена човешка фигура за мащаб. Снимка: IPP
Wendelstein 7-X, който е първия едромащажен оптимизиран стеларатор, е отнел 1,1 милиона часа, за да бъде окончателно сглобен, като при това са използвани едни от най-сложните инженерни модели разработвани някога, за да може машината да издържи на чудовищните вариации в температурата и огромните сили на процесите протичащи в реактора.
Стелараторите се сблъскват със същите предизвикателства, както и другите фюжън устройства: Те трябва да се загреят и да поддържат газ при температура по-висока от 100 млн. градуса Целзий, което е 7 пъти по-горещо от температурата в ядрото на Слънцето. При тази температура електроните се отделят от атомите, при което се получава плазма от електрони и йони и йоните се движат достатъчно бързо, за да преодолеят своето взаимно отблъскване и да се слеят. Но това също прави газа невъзможен за задържане в нормален съд.
Вместо това, той се поддържа в "клетка" от магнитни полета. Проводник омотан около тръба, по който преминава напрежение създава постоянно магнитно поле насочено към центъра на тръбата и кара плазмата да стои настрана от стените на тръбата. За да се предотврати изтичането на частици по краищата, много от изследователи още в зората на фюжън изследванията са разрешили проблема като са завили тръбата под формата на пръстен, (торус или поничка), като по този начин са създали условия за безкраен път на плазмата.
Но тази форма създава друг проблем: тъй като намотките са по-близо откъм вътрешността (откъм дупката на поничката), магнитното поле е малко по-силно там и по-слабо към външната част на пръстена. Дисбалансът кара частиците да се отделят от траекторията си и да се блъскат в стените. Решението е да се добави извивка, която прекарва частиците през участъци с високо и ниско магнитно поле, така че ефектите на двете взаимно да се компенсират. По този начин целия плазмен поток трябва да направи определен брой извивки по пътя си в реактора.
Стелараторите предизвикват извиването отвън. Първият стеларатор, изобретен от астрофизикът Лиман Шпитзер от Университета Принстън през 1951 г., постига този ефект като извива тръбата под формата на осмица. Но в лабораторията, която той създава - Лабораторията по Физика на плазмата в Пристън (PPPL), Ню Джърси са възпривмат по-прост метод при следващите стеларатори: увиване на повече намотки около конвенционалната форма на торус, което наподобява увиването на ивиците в захарните близалки, за да се създаде завиване на магнитното поле във вътрешността.
При токамакът, дизайнът на който е разработен в Съветския съюз през 50-те години на миналия век, извиването се генерира отвътре. Такамаците използват устройство подобно на електрически трансформатор за да накарат електроните и йоните да завиват в тръбата като електрическо напрежение. Това напрежение създава вертикално магнитно поле, което когато се добави към полето, което вече преминава по дължината на тръбата, създава необходимата спирална посока на полета.
И двата метода работят, но токамакът е по-добър в задържането на плазмата. Отчасти това се дължи на факта, че симетрията на токамака дава възможност на частиците да следват "по-гладка" траектория. При стелараторите, както обяснява Андерсън, "частиците минават през много гънки и завъртания", което е причина много от тях да се загубят. В резултат на това, по-голямата част от фюжън изследванията от 70-те години насам са фокусирани върху токамаците - като черешката на тортата е осъществяването на грандиозния ITER проект за термоядрен реактор във Франция, продукт на международно партньорство на стойност 16 млрд. евро за изграждането на токамак, който да произвежда повече енергия, отколкото консумира, което да е основата за бъдещите комерсиални реактори.
Токамаците обаче имат сериозни недостатъци. Трансформаторът може да въвежда напрежение в плазмата само под формата на кратки импулси, което няма да е приложимо при реален термоядрен реактор. Напрежението в плазмата също може да варира неочаквано, което причинява внезапни "прекъсвания": загуби на плазмен интегритет, които могат да освободят магнитни сили достатъчно силни, за да повредят реактора. Тези проблеми са характерни дори за последното поколение проекти, някои от които още не са осъществени, като сферичния токамак.
Стелараторите, от друга страна, нямат тези проблеми. Техните полета се генерират изцяло от външни намотки, които не е необходимо да работят на импулси и при тях няма плазмено напрежение, в което да се наблюдават прекъсвания. Тези два фактора са причината някои изследователи да продължават да развиват тази концепция.
Най-големият работещ стеларатор е Голямото Спирално Устройство (Large Helical Device - LHD) в Токи, Япония, което е започнало работа през 1998 г. Лиман Шпитцер разпознава дизайна. Той представлява вариант на класически стеларатор с две спирални намотки, които да завиват потока плазма плюс помощни намотки за допълнителен контрол. LHD държи всички големи рекорди за постижение сред стелараторите, като показва стабилен режим на работа и се доближава до постиженията на токамак със сходен размер.
Двама учени - Юрген Нюренберг от IPP и Алън Буузър от PPPL (сега в рамките на Университета на Колумбия) - са изчислили, че могат да постигнат повече с малко по-различен дизайн, който ще може да задържа плазмата с помощта на магнитно поле с постоянна сила, но с променяща се посока. Такова "квазисиметрично" поле едва ли ще е идеалното решение за задържане на частиците," коментира теоретичния физик Пер Хеландър (Per Helander), "но могат да се постигнат доста близки резултати и да се сведат загубите до разумно ниво." На теория, това би направило стелараторното устройство почти толкова добро, колкото и токамак.
Оптимизацията включва прецизиране на формата на магнитното поле до такава, която най-добре да задържа плазмата, след което били проектирани магнитите, които да произвеждат полето. За това е нужна огромна изчислителна мощ и едва през 80-те години в този процес са се включили и суперкомпютри.
Първият частично оптимизиран стеларатор, наречен Wendelstein 7-AS, е изграден в IPP в Гархинг, близо до Мюнхен и е функционирал между 1988 и 2002 г. Той е подобрил всички предишни рекорди за стеларатори с такъв размер. Учени от UW Madison се заели да изградят първото напълно оптимизирано устройство през 1993 г. Резултатът от това, малка машина наречена Helically Symmetric Experiment (HSX) започнала работа през 1999 г. "W7-AS и HSX показаха, че концепцията работи," разказва Дейвид Гейтс (David Gates), ръководител на отдела по стелараторна физика в PPPL.
Успехът накарал американски учени да опитат нещо по-голямо. PPPL започнала строежа на National Compact Stellarator Experiment (NCSX) през 2004 г. с използване на различна оптимизационна стратегия от IPP. Но сложността при сглобяването на изключително прецизно оформените части с точност от порядъка на милиметър довело до значително покачване на бюджета и пропускане на срокове. През 2008 г., при 80% построени или вече закупени основни компоненти, от департамента по Енергетика към конгреса прекратили проекта. "Оказа се, че бяхме подценили силно стойността и графика на проекта," признава Джордж Нелсън (George “Hutch” Neilson), мениджър на NCSX.
Странните компоненти на Wendelstein 7-X трябвало да се сглобят с невероятна прецизност. Всички заварки се контролират от компютри и се проверяват с лазерни скенери. Снимка: IPP/Wolfgang Filser
МЕЖДУВРЕМЕННО В ГЕРМАНИЯ: проекта за построяване на W7-X е в ход. Правителството на наскоро обединената държава е дало зелена светлина през 1993 и 1994 г. и е взела решение да се обособи ново крило на института в Грийфсвалд, на територията на бившата ГДР, за да се построи машината. 50 от членовете на екипа в IPP се преместват от Гархинг в Грийфсвалд, 800 км. един от друг, а други от екипа често пътуват между двата града, разказва Клингер, директор на крилото в Грийфсвалд. В крайна сметка, персоналът зает по проекта достига до 400 души. Планирано е W7-X да започне работа през 2006-та, а бюджета е фиксиран на 550 млн. евро.
Но точно както и злощастния американски проект NCSX, W7-X скоро се натъква на проблеми. Машината съдържа 425 тона суперпроводими магнити и поддържаща структура, която трябва да се охлади до температури близки до абсолютната нула. Охлаждането на магнитите с течен хелий е "същински ад," споделя Клингер. "Всички изстудени елементи трябва да работят безпогрешно, няма възможности за течове, а достъпа е силно ограничен," поради разположението на силно усуканите магнити. Между необичайните по форма магнити, инженерите трябва да намерят място за повече от 250 порта за доставяне и извличане на горивото, за нагряване на плазмата и за достъп на диагностични инструменти. Всичко изисква изключително сложно 3D-моделиране. "Това може да се извърши само от компютър," отбелязва Клингер. "Нищо не можеше да се нагажда на място."
До 2003 г. W7-X вече е бил в беда. Около една трета от произведените магнити не преминали тестовете и трябвало да бъдат върнати. Силите действащи на структурата на реактора се оказали много по-големи от първоначално изчислените. "Щеше просто да се разпадне," спомня си Клингер. Затова изграждането на някои от основните компоненти е трябвало да се забави, за да се извършат необходимите корекции в дизайна. Един от доставчиците на магнити фалирал. Годините между 2003-та и 2007-ма били най-тежки и проекта бил близо до прекратяване. Но служителите в министерството на науката се борили ожесточено за проекта. Накрая министърът одобрил продължаването му с увеличаване на тавана на бюджета до 1,06 млрд. евро, а постигането на "първа плазма" било насрочено за 2015 г.
След 1,1 млн. часа строителство, институтът Грийфсвалд завършва машината през май 2014 г. и прекарва следващата една година в провеждане на експлоатационни тестове, които W7-X преминава без грешка. Тестването на електронните потоци показват, че магнитното поле във все още празния реактор имат правилната форма. "Всичко изглежда, в изключително стриктен смисъл на думата, абсолютно точно както трябва да бъде," коментира Томас Педерсен (Thomas Sunn Pedersen) от IPP.
Разрешение за преминаване в следващата фаза се очаква от германските ядрени регулатори до края на този месец. Същинския тест ще започне щом W7-X се изпълни с плазма и учените установят как машината понася високата температура. Основния параметър, който ще се измери е времето за поддържане на енергията (energy confinement time): скоростта, с която плазмата губи енергия към околната среда. "Светът очаква да види дали ще успеем да постигнем необходимото ниво на поддържане и дали ще го задържим за достатъчно дълъг импулс," обяснява Гейтс.
Евентуалният успех може да промени много във фюжън сферата. Следващата стъпка след ITER е да се проектира прототип на електроцентрала, която ще носи името DEMO. Повечето експерти до сега смятаха, че тя ще бъде някакъв тип токамак, но сега някои от тях започват спекулации, че може да става дума по-скоро за стеларатор. "Хората вече говорят за това," твърди Гейтс. "Всичко зависи от това колко добри резултати получим. Ако резултатите са положителни, това ще предизвика доста вълнение в сферата на термоядрения синтез."
Източник: Science Magazine
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари