Wendelstein 7-X هو أكبر مفاعل اندماج في العالم من نوع stellarator ، والذي ينفذ الانصهار المتحكم فيه. تم إنشاء إعداد تجريبي غريب في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما في جرايسوالد لاختبار استخدام هذا النوع من الأجهزة كمحطة طاقة نووية حرارية. وفقًا لبعض التوقعات ، بحلول عام 2100 ، سيزداد استهلاك الطاقة على الأرض بنحو 6 مرات. يعتقد بعض الخبراء أن الطاقة النووية الحرارية فقط هي التي يمكنها تلبية احتياجات الطاقة المتزايدة للبشرية.

ينتج غرام واحد من وقود الهيدروجين (الديوتيريوم والتريتيوم) في مثل هذا المصنع 90.000 كيلووات في الساعة من الطاقة ، وهو ما يعادل حرق 11 طنًا من الفحم.

الطاقة النووية الحرارية

وفقًا للاقتصاديين وعلماء المستقبل ، تحتاج البشرية بشكل عاجل إلى مصدر طاقة موثوق به وقوي. احتياطيات الهيدروكربون العالمية محدودة. إذا نما استهلاك الطاقة ستة أضعاف بحلول عام 2100 ، فيجب إصلاح نظام الطاقة وإعادة هيكلته ، وكلما كان ذلك أفضل ، كان ذلك أفضل. يبدو أن الطاقة النووية الحرارية حل جيد للمشكلة.

تتكون النوى الذرية من نويات (بروتونات ونيوترونات) ، وهي متماسكة معًا عن طريق التفاعل القوي. إذا أضفنا النيوكليونات إلى النوى الخفيفة أو أزلناها من الذرات الثقيلة ، فسيتم تحرير الفرق في طاقة الربط. تذهب طاقة حركة الجسيمات في الحركة الحرارية للذرات. وهكذا ، تتجلى الطاقة النووية في شكل تدفئة. يسمى التغيير في تكوين النواة رد فعل نووي. يسمى التفاعل النووي مع انخفاض في عدد النويات في النواة الانحلال النووي أو الانشطار النووي. يسمى التفاعل النووي مع زيادة عدد النويات في النواة تفاعل نووي حراري أو اندماج نووي.

الاندماج النووي

يختلف الاندماج النووي الحراري المتحكم به عن الطاقة النووية التقليدية في أن هذا الأخير يستخدم رد فعل اضمحلال يتم خلالها الحصول على نوى أخف من النوى الثقيلة. في تركيب النوى الخفيفة ، يتم تصنيع النوى الثقيلة. على عكس سلسلة التفاعلات النووية ، يمكن التحكم في الاندماج النووي.

ظهرت مسألة الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة على المستوى العالمي في منتصف القرن العشرين ، ثم ظهرت مفاهيم المفاعلات الأولى للاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة ، بما في ذلك توكاماك وستيلاراترز.

حتى وقت قريب ، لم يتمكن العلماء من التغلب على المشاكل التكنولوجية لإثبات أن الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة يمكن استخدامه عمليًا وأن محطات الطاقة هذه ستكون فعالة من حيث التكلفة. يجب إثبات هذه الحقيقة من خلال المفاعلات التجريبية ITER و Wendelstein 7-X.

النجوم

Wendelstein 7-X

في مفاعل الاندماج ، يتم وضع الوقود داخل مجال مغناطيسي ويتم تسخينه إلى درجة حرارة حوالي 100 مليون درجة مئوية ، حيث يحدث تفاعل متحكم مستقر للانصهار النووي.

Stellarator - نوع من المفاعلات لتنفيذ الاندماج الحراري الحراري المتحكم فيه. يأتي الاسم من خط العرض. النجم هو نجم ، والذي يجب أن يشير إلى تشابه العمليات التي تحدث في النجم وداخل النجوم. اخترعها الفيزيائي الفلكي الأمريكي ليمان سبيتزر عام 1958. تم بناء النموذج الأول تحت إشراف سبيتزر في عام 1959 كجزء من مشروع Matterhorn السري ، والذي تم إعادة تسميته في عام 1961 ، بعد رفع السرية ، إلى مختبر فيزياء البلازما في جامعة برينستون .

النجم هو مصيدة مغناطيسية مغلقة لعقد البلازما ذات درجة الحرارة العالية. الفرق الأساسي بين النجم والتوكاماك هو أن المجال المغناطيسي لعزل البلازما من الجدران الداخلية للحجرة الحلقية يتم إنشاؤه بالكامل بواسطة ملفات خارجية ، والتي تسمح ، من بين أمور أخرى ، باستخدامها في الوضع المستمر. تخضع خطوط قوتها لتحويل دوران ، ونتيجة لذلك تنتقل هذه الخطوط مرارًا وتكرارًا حول الحيد وتشكل نظامًا من الأسطح المغناطيسية المغلقة الحلقية المضمنة في بعضها البعض.

كان Stellarators شائعًا في الخمسينات والستينات ، ولكن بعد ذلك تحول انتباه المجتمع العلمي إلى tokamaks ، مما أظهر نتائج مشجعة أكثر. كل شيء تغير في القرن الحادي والعشرين. نظرًا للتطوير القوي لتكنولوجيا الكمبيوتر وبرامج رسومات الكمبيوتر ، تم تحسين نظام النجم المغناطيسي. ونتيجة لذلك ، ظهر تكوين جديد تمامًا للتحول الدوراني ، ليس بملفين ، كما هو الحال في جميع التصميمات السابقة للنجم ، ولكن بملف واحد فقط . صحيح أن هذا اللفة ماكر للغاية في الشكل.

طوبولوجيا Stellarator Wendelstein 7-X في برنامج محاكاة الكمبيوتر مع خطوط المجال المغناطيسي. يتم تمييز ملفات اللف المستوية (المسطحة) باللون البني ، أما الملفات غير المستوية فيشار إليها باللون الرمادي. بعض الملفات مفقودة في العارضة لإظهار بنية الهياكل المتداخلة للنجم (يسار) وأقسام Poincare لهذه الهياكل (يمين). تظهر أربعة من ملفات التصفية الخارجية الخمسة باللون الأصفر ، ويجب أن يكون الخامس في الأعلى. المصدر: ورقة علمية "تأكيد طوبولوجيا المجال المغناطيسي Wendelstein 7-X إلى أفضل من 1: 100،000" ، تم نشرها في 30 نوفمبر 2016 ، Nature Communications، doi: 10.1038 / ncomms13493

لماذا يكون النجم ذا شكل غريب؟

القنفذ تمشيط النظرية

ينص نظرية تمشيط القنفذ على أنه من المستحيل على الكرة اختيار اتجاه الظل في كل نقطة ، والتي يتم تحديدها في جميع نقاط الكرة وتعتمد باستمرار على النقطة. بشكل غير رسمي ، من المستحيل تمشيط قنفذ ملتف في كرة بحيث لا تخرج إبرة واحدة - ومن ثم ذكر القنفذ في عنوان النظرية. النظرية هي نتيجة لنظرية النقطة الثابتة ، التي أثبتها Brauer في عام 1912.

من النظرية حول تمشيط القنفذ ، يتبع ، من بين أمور أخرى ، أنه على سطح الكوكب هناك دائمًا نقطة تكون فيها سرعة الرياح صفرًا.

بمعرفة نظرية تمشيط القنفذ ، صمم المهندسون الألمان شكلاً محددًا من النجمية ، حيث يتم "تمشيط" ناقلات الحث المغناطيسي بحيث يستمر الاندماج النووي (تشكيل الهيليوم من الهيدروجين) على طول الحلقة المغلقة بالكامل في وسط الغرفة. يكفي تشغيل الماكينة وتبدأ العملية المستمرة بإطلاق الطاقة.

يتم اشتقاق شكل النجم بدقة من المعادلات الرياضية لنظرية تمشيط القنفذ.

مفهوم Wendelstein 7-X Stellarator

تم محاكاة شكل النجم على جهاز كمبيوتر ، ويتم حساب جميع المتجهات والتحقق منها. كل ما تبقى هو السؤال: هل يمكن للمهندسين أن ينقلوا النظرية إلى الحياة - ويصبوا في الواقع نجارًا معدنيًا بهذا الشكل غير المعتاد. أصبح من الواضح على الفور أن المشروع سيكون مكلفًا للغاية (ونتيجة لذلك ، كلف بناء النجم نفسه 370 مليون يورو ، ومع البناء والرواتب والنفقات الأخرى - 1.08 مليار يورو ؛ استحوذت ألمانيا على 80 ٪ من التمويل ، استغرق الاتحاد الأوروبي 20 ٪) . لكن المخاطر كبيرة: مصدر الطاقة من الاندماج يعد بثورة في الطاقة العالمية. لذلك ، بدأ المهندسون العمل.

Wendelstein 7-X Stellarator Assembly

تم تجميع النجم من أبريل 2005 إلى أبريل 2014. على مدى تسع سنوات من البناء ، استغرق المرفق 1.1 مليون ساعة عمل. ثم بدأ التحضير الفني للتجربة. تم اختبار كل نظام تقني: أوعية فراغية ، ونظام تبريد ، وملفات فائقة التوصيل ومجالها المغناطيسي ، ونظام تحكم ، وكذلك أجهزة تدفئة وأدوات قياس.

تجميع Wendelstein 7-X Stellarator ، نوفمبر 2011. الصورة: IPP ، Wolfgang Filser

يتكون اللف النجمى Wendelstein 7-X من 50 ملف مغناطيسي فائق التوصيل غير مستو و 20 مستو. إنها تولد مجالًا مغناطيسيًا يتم فيه تسخين بلازما الهيدروجين إلى 100 مليون درجة مئوية. تستخدم الملفات الموصلات المصنوعة من سبائك التيتانيوم والنيوبيوم. تتحول هذه المادة إلى حالة فائقة التوصيل عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 9.2 درجة مئوية. تبريد المغناطيس قياسي مع الهليوم السائل عند 70270 درجة مئوية. نظرًا للحاجة إلى التبريد المستمر ، يتم تثبيت الملفات داخل ناظم البرد بقشرة داخلية وخارجية ، معزولة عن بعضها البعض عن طريق التفريغ. لدراسة وتسخين البلازما ، يتم استخدام 254 حفرة في القشرة.

من الناحية الفنية ، يتكون Stellarator Wendelstein 7-X من خمس وحدات متطابقة تقريبًا. يوجد في كل منها غلاف بلازما ، وعزل حراري ، و 10 ملفات فائقة التوصيل غير موصلة ، و 4 ملفات مستوية متصلة ، ونظام أنابيب للهليوم السائل ، وجزء لدعم الحلقة المركزية وقشرة خارجية.

يتم تسخين البلازما بثلاث طرق: تسخين الميكروويف بطاقة مولدة 10 ميجاوات ، وتسخين التردد اللاسلكي 4 ميجاوات وشعاع من الجسيمات المحايدة 20 ميجاوات.

عندما تم تركيب جميع الوحدات الخمس في مكانها في قاعدة النجم ، بدأ العمل في اللحام ، وربط أنظمة التدفئة ومراقبة البلازما.

شاركت شركات من جميع أنحاء أوروبا في بناء stellarator. كان من بين المقاولين الرئيسيين شركة MAN Diesel & Turbo ، التي شاركت أيضًا في تصنيع الأجزاء الفولاذية لغرفة البلازما. بشكل عام ، يبلغ قطرها الخارجي 12.9 م وارتفاعها 2.4 م ، وكان عليهم حل العديد من المشاكل الفنية. على سبيل المثال ، تحتوي غرف البلازما الفولاذية على شكل غريب ويجب صبها بتسامح +/− 2 مم. تتكون كل غرفة من 200 حلقة ، وتتكون كل حلقة من عدة شرائط فولاذية بطول 15 سم ، منحنية خصيصًا وفقًا للهندسة المعقدة المحسوبة في برنامج محاكاة الكمبيوتر وفقًا لصيغ نظرية تمشيط القنفذ. تم تصنيع الوحدات في مصنع MAN Diesel & Turbo في دوسلدورف.

تم فرض نفس الدقة والمتطلبات العلمية المحددة على ملفات التبريد للملفات.

تجميع العزل الحراري للقشرة الخارجية

يعتقد المنظمون أن المشاركة في المشروع أعطت كل شركة خبرة تقنية لا تقدر بثمن وكانت مرموقة في حد ذاتها. على سبيل المثال ، كان على متخصصي MAN Diesel & Turbo إتقان برامج تصميم ثلاثية الأبعاد وأدوات ليزر إلكترونية لتقييم الهندسة. منذ ذلك الحين ، أصبحت هذه الأدوات جزءًا من عملية الإنتاج المستمرة للشركة.

تم تصنيع نظام تسخين البلازما من قبل Thales Electron Devices (فرنسا) ، Element Six (بريطانيا العظمى) ، Diamond Materials (ألمانيا) و Reuter Technologie (ألمانيا).

قامت شركة Thales Electron Devices ، بالتعاون الوثيق مع علماء الفيزياء الألمان ، بتصنيع أجهزة تسخين البلازما الرئيسية - الجيروترونات.

Gyrotron هو مولد ميكروويف فراغ كهربائي ، وهو نوع من مازر رنين السيكلوترون. مصدر إشعاع الميكروويف هو شعاع إلكتروني يدور في مجال مغناطيسي قوي. يتم توليد الإشعاع بتردد يساوي السيكلوترون في التجويف مع تردد حرج قريب من التردد المتولد. تم اختراع الجيروترون في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في NIRFI في مدينة غوركي (الآن نيجني نوفغورود).

— Wendelstein 7-X 1 , — , , Diamond Materials Element Six

يتم وضع البلازما داخل المفاعل في مجال مغناطيسي ، ولكن مع ذلك ، لا يمكن تجنب ملامسته للقشرة الداخلية. على الرغم من أن درجة حرارة البلازما تنخفض إلى أقل من 100000 درجة مئوية ، إلا أنه لا يزال من الضروري تغطية داخل الغرفة الفولاذية بمواد مقاومة للحرارة تزيل الحرارة في نفس الوقت. تم التعامل مع تصنيع مثل هذه التحويلات من قبل شركة Plansee النمساوية. ابتكر المهندسون عناصر هيكلية من مواد جديدة: كتل الكربون المقوى بألياف الكربون (مركب الكربون الجرافيت) ، والمعادن المبردة بالماء. في المجموع ، بالنسبة للنجم ، كان مطلوبًا تصنيع 890 عنصر تحويل من 18000 كتلة. وقد تم بالفعل تسجيل براءة اختراع المواد الجديدة من قبل المخترعين تسمى EXTREMAT .

يمتص المحول Plansee لنقل الحرارة 10 ميجاوات لكل متر مربع بشكل مستمر

تم تصنيع ملفات الموصلية الفائقة لسبائك النيوبيوم والتيتانيوم ذات الشكل المعقد للنجم النجمي بواسطة شركة بابكوك نويل (ألمانيا).

لمدة عشر سنوات من البناء ، كان من الممكن حل جميع المشاكل التقنية وتشغيل التصميم الضخم للنجم.

إنشاء ستارلار في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما

وقع حدث تاريخي في 10 ديسمبر 2015: تم إطلاق النجم التجريبي Wendelstein 7-X لأول مرة في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما (IPP) في Griswald .

Wendelstein 7-X: First Plasma

أعطى مشغلو stellarator أمرًا لتوليد مجال مغناطيسي وأطلقوا نظام تحكم الكمبيوتر للتجربة. لقد أطعموا حوالي ملليغرام من الهيليوم في حجرة البلازما ، وشغّلوا تسخين الميكروويف لنبضة قصيرة بقدرة 1.3 ميغاواط - وتم تسجيل البلازما الأولى بواسطة الكاميرات وأجهزة القياس. ظلت البلازما الأولى مستقرة لمدة 0.1 ثانية ووصلت إلى درجة حرارة حوالي مليون درجة مئوية.

قال مدير المشروع البروفيسور توماس كلينجر إن الخطة كانت البدء بالهيليوم لأنه من الأسهل الحصول على حالة البلازما. في عام 2016 ، بدأت التجارب مع بلازما الهيدروجين.

قياس المجال المغناطيسي

يعد تسخين البلازما إلى مليون درجة أو أكثر أمرًا جيدًا ، لكن السؤال الرئيسي ظل مفتوحًا ما إذا كان العلماء تمكنوا حقًا من تجميع النجم للشكل الصحيح ، وفقًا لنظرية تمشيط القنفذ. هل النتيجة تتوافق مع النموذج الرياضي؟ هذا هو السؤال الأكثر أهمية ، لأنه لم يقم أحد بتجميع مفاعل الاندماج من قبل. هل سيكون هناك بالفعل اندماج مع المعلمات المعطاة؟

30 نوفمبر 2016 تلقينا إجابة على هذا السؤال. في هذا اليوم ، نشرت مجلة نيتشر كوميونيكيشنز مقالة علمية بعنوان "تأكيد طوبولوجيا المجال المغناطيسي Wendelstein 7-X إلى أفضل من 1: 100،000"(وصول مفتوح). يعرض نتائج قياسات المجال المغناطيسي داخل حجرة حلقية ، والتي تؤكد الأداء الفعلي للمُنشِّط Wendelstein 7-X وفقًا للمعايير المحسوبة. تم إجراء القياسات قبل تسخين البلازما ، لكنها أظهرت أن المهندسين في موقع البناء تمكنوا بالفعل من تجميع تصميم ضخم يتوافق تمامًا مع المعلمات المحسوبة. الطوبولوجيا المغناطيسية للجهاز مصنوع من قبل المهندسين الألمان بالدقة المطلوبة.

تصور المجال المغناطيسي في النجم باستخدام الغاز المحايد (خليط من بخار الماء والنيتروجين). ثلاث نقاط مضيئة - معايرة للكاميرا

قسم Poincare من دائرة مغناطيسية مغلقة. مر شعاع الإلكترون عبره أكثر من 40 مرة ، أي أكثر من 1 كم

تحول طفيف في المجال المغناطيسي بسبب تشوه مغناطيس فائق التوصيل

لذا ، فإن أكبر نجار في العالم يعمل حقًا.

Megakonstruktsii. النجم الألماني Wendelstein 7-X

الطاقة النووية الحرارية

النجوم

القنفذ تمشيط النظرية

Wendelstein 7-X Stellarator Assembly

قياس المجال المغناطيسي

More articles: