Концепция Wendelstein 7-X доказывает свою эффективность

Концепцияwendelstein7xдоказываетсвоюэффективность

Часть стратегии оптимизации экспериментально подтверждена / потери энергии плазмы уменьшены

Одна из наиболее важных целей оптимизации, лежащих в основе термоядерного устройства Wendelstein 7-X в Институте физики плазмы им. Макса Планка ( IPP) в Грайфсвальде. Анализ, проведенный учеными IPP в журнале Nature, показывает: в оптимизированной клетке магнитного поля потери энергии плазмы уменьшаются желаемым образом. Wendelstein 7-X призван доказать, что недостатки более ранних стеллараторов можно преодолеть и что устройства типа стеллараторов подходят для электростанций.

Магнитная система Wendelstein 7-X. Пятьдесят сверхпроводящих магнитных катушек создают магнитную клетку для удержания плазмы. В формах витой катушки оформилась вычислительная оптимизация.

Графика: IPP

Введенный в эксплуатацию оптимизированный стелларатор Wendelstein 7-X пять лет назад призвана продемонстрировать, что термоядерные установки стеллараторного типа подходят для электростанций. Магнитное поле, которое окружает горячую плазму и удерживает ее от стенок сосуда, было спланировано с большими теоретическими и вычислительными усилиями таким образом, чтобы избежать недостатков более ранних стеллараторов. Одной из важнейших целей было уменьшение потерь энергии плазмы, вызванных пульсацией магнитного поля. Это отвечает за дрейф частиц плазмы наружу и их потерю, несмотря на то, что они привязаны к силовым линиям магнитного поля.

В отличие от конкурирующих устройств типа токамак, для которых эта так называемая «неоклассическая» энергия и потеря частиц не является большой проблемой, это серьезный недостаток обычных стеллараторов. Это приводит к тому, что потери настолько возрастают с повышением температуры плазмы, что электростанция, спроектированная на этой основе, будет очень большой и, следовательно, очень дорогой.

В токамаках, с другой стороны – благодаря их симметричности форма – потери из-за пульсации магнитного поля невелики. Здесь потери энергии в основном определяются небольшими вихревыми движениями в плазме, турбулентностью, которая также добавляется в качестве канала потерь в стеллараторах. Следовательно, чтобы не отставать от хороших свойств удержания токамаков, снижение неоклассических потерь является важной задачей для оптимизации стелларатора. Соответственно, магнитное поле Wendelstein 7-X было разработано для минимизации этих потерь.

В подробном анализе экспериментальных результатов Wendelstein 7-X ученые во главе с доктором Крейгом Бейдлером из компании IPP Stellarator Theory Division проверила, приводит ли эта оптимизация к желаемому эффекту (см. Nature, DOI 13. 1038 / с 41586 – 021 – 03687 – ж). Благодаря имеющимся на данный момент нагревательным устройствам, Wendelstein 7-X уже смог генерировать высокотемпературную плазму и установил мировой рекорд стелларатора для «продукта термоядерного синтеза» при высокой температуре (см. PI 4 / 2021 ). Это произведение температуры, плотности плазмы и времени удержания энергии показывает, насколько близко вы подходите к значениям для горящей плазмы.

Такая рекордная плазма теперь была подробно проанализирована. При высоких температурах плазмы и малых турбулентных потерях здесь можно было хорошо обнаружить неоклассические потери в энергетическом балансе: они составляли 48 процент тепловой мощности, значительная часть энергетического баланса.

Эффект неоклассической оптимизации Wendelstein 7-X теперь демонстрируется мысленный эксперимент: предполагалось, что те же значения и профили плазмы, которые привели к рекордному результату в Wendelstein 7-X, были достигнуты и на установках с менее оптимизированным магнитным полем. Затем были подсчитаны ожидаемые в неоклассическом стиле потери – с четким результатом: они будут больше, чем потребляемая мощность нагрева, что физически невозможно. «Это показывает, – говорит профессор Пер Хеландер, глава отдела теории стеллараторов, – что профили плазмы, наблюдаемые в Wendelstein 7-X, возможны только в магнитных полях с низкими неоклассическими потерями. И наоборот, это доказывает, что оптимизация магнитного поля Вендельштейна успешно снизила неоклассические потери ».

Однако плазменные разряды пока непродолжительны. Чтобы проверить работоспособность концепции Wendelstein в непрерывном режиме, в настоящее время устанавливается облицовка стен с водяным охлаждением. Оборудованные таким образом, исследователи постепенно продвинутся до 30 – плазма минутной длины. Тогда можно будет проверить, может ли Wendelstein 7-X также выполнять свои задачи оптимизации в непрерывном режиме – главное преимущество стеллараторов.

Предпосылки

Целью исследования термоядерного синтеза является разработать электростанцию, благоприятную для климата и окружающей среды. Подобно солнцу, он генерирует энергию в результате слияния атомных ядер. Поскольку термоядерный огонь загорается только при температурах выше 100, топливо – с низкой плотностью. водородная плазма – не должна соприкасаться с холодными стенками сосуда. Удерживаемый магнитными полями, он почти бесконтактно плавает внутри вакуумной камеры.

Магнитная клетка Wendelstein 7-X создана кольцом из 56 сверхпроводящие магнитные катушки. Их особые формы являются результатом сложных расчетов оптимизации. С их помощью качество удержания плазмы в стеллараторе должно достичь уровня конкурирующих установок типа токамак.