Megakonstruktsii. Deutscher Stellarator Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X ist der weltweit größte Fusionsreaktor vom Typ Stellarator , der eine kontrollierte Fusion durchführt. Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greiswald wurde ein bizarrer Versuchsaufbau errichtet, um die Verwendung dieses Gerätetyps als Kernkraftwerk zu testen. Nach einigen Prognosen wird der Energieverbrauch auf der Erde bis 2100 um das Sechsfache steigen. Einige Experten glauben, dass nur thermonukleare Energie den wachsenden Energiebedarf der Menschheit decken kann.1 Gramm Wasserstoffbrennstoff (Deuterium und Tritium) in einer solchen Anlage erzeugt 90.000 kWh Energie, was einer Verbrennung von 11 Tonnen Kohle entspricht.Thermonukleare Energie
Laut Ökonomen und Zukunftsforschern braucht die Menschheit dringend eine zuverlässige und leistungsstarke Energiequelle. Die weltweiten Kohlenwasserstoffreserven sind begrenzt. Wenn sich der Energieverbrauch bis 2100 versechsfacht, muss das Energiesystem reformiert und umstrukturiert werden. Je früher, desto besser. Thermonukleare Energie scheint eine gute Lösung für das Problem zu sein.Atomkerne bestehen aus Nukleonen (Protonen und Neutronen), die durch starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. Wenn wir leichten Kernen Nukleonen hinzufügen oder Nukleonen von schweren Atomen entfernen, wird der Unterschied in der Bindungsenergie freigesetzt. Die Energie der Teilchenbewegung geht in die thermische Bewegung der Atome ein. Die Kernenergie manifestiert sich also in Form von Heizung. Das Ändern der Zusammensetzung des Kerns wird als Kernreaktion bezeichnet. Eine Kernreaktion mit einer Abnahme der Anzahl von Nukleonen in einem Kern wird als Kernzerfall oder Kernspaltung bezeichnet. Eine Kernreaktion mit einer Zunahme der Anzahl von Nukleonen im Kern wird als thermonukleare Reaktion oder Kernfusion bezeichnet.
KernfusionDie kontrollierte thermonukleare Fusion unterscheidet sich von der herkömmlichen Kernenergie dadurch, dass diese eine Zerfallsreaktion verwendet, bei der leichtere Kerne aus schweren Kernen gewonnen werden. Bei der Synthese von leichten Kernen werden schwere Kerne synthetisiert. Im Gegensatz zu einer Kernkettenreaktion ist die Kernfusion steuerbar.Das Problem der kontrollierten Kernfusion auf Weltebene tauchte Mitte des 20. Jahrhunderts auf, und dann erschienen die Konzepte der ersten Reaktoren für die kontrollierte Kernfusion, einschließlich Tokamaks und Stellaratoren.Bis vor kurzem konnten Wissenschaftler technologische Probleme nicht überwinden, um zu beweisen, dass eine kontrollierte Kernfusion in der Praxis tatsächlich eingesetzt werden kann und solche Kraftwerke kostengünstig sind. Diese Tatsache muss durch die Versuchsreaktoren ITER und Wendelstein 7-X bewiesen werden.Stellaratoren
Wendelstein 7-XIn einem Kernkernreaktor wird Brennstoff in ein Magnetfeld gebracht und auf eine Temperatur von etwa 100 Millionen Grad Celsius erhitzt, bei der eine stabile kontrollierte Kernfusionsreaktion stattfindet.Stellarator - ein Reaktortyp für die Implementierung einer kontrollierten Kernfusion. Der Name kommt von lat. Stella ist ein Stern, der auf eine Ähnlichkeit der im Stellarator und innerhalb der Sterne ablaufenden Prozesse hinweisen sollte. 1958 vom amerikanischen Astrophysiker Lyman Spitzer erfunden . Das erste Modell wurde 1959 unter der Leitung von Spitzer im Rahmen des geheimen Matterhorn-Projekts gebaut, das 1961 nach der Freigabe in Labor für Plasmaphysik an der Princeton University umbenannt wurde .Der Stellarator ist eine geschlossene Magnetfalle zum Halten von Hochtemperaturplasma. Der grundlegende Unterschied zwischen einem Stellarator und einem Tokamak besteht darin, dass das Magnetfeld zum Isolieren des Plasmas von den Innenwänden der Ringkammer vollständig durch externe Spulen erzeugt wird, was es unter anderem ermöglicht, es in einem kontinuierlichen Modus zu verwenden. Seine Kraftlinien unterliegen einer Rotationstransformation, wodurch diese Linien wiederholt um den Torus verlaufen und ein System geschlossener toroidaler magnetischer Oberflächen bilden, die ineinander eingebettet sind.Stellaratoren waren in den 50er und 60er Jahren beliebt, aber dann verlagerte sich die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf Tokamaks, die ermutigendere Ergebnisse zeigten. Im 21. Jahrhundert änderte sich alles. Aufgrund der leistungsstarken Entwicklung von Computertechnologie und Computergrafikprogrammen wurde das magnetische Stellaratorsystem optimiert. Als Ergebnis erschien eine völlig neue Konfiguration der Rotationstransformation, nicht mit zwei Wicklungen, wie in allen früheren Konstruktionen des Stellarators, sondern mit nur einer Wicklung . Diese Wicklung ist zwar sehr gerissen in ihrer Form.
Die Topologie des Wendelstein 7-X-Stellarators in einem Computersimulationsprogramm mit Magnetfeldlinien. Planare (flache) Wicklungsspulen sind braun markiert, nicht planare Spulen sind grau markiert. Auf dem Putz fehlen einige Spulen, um die Struktur der verschachtelten Strukturen des Stellarators (links) und der Poincare-Abschnitte für diese Strukturen (rechts) anzuzeigen. Vier der fünf externen Filterspulen sind gelb dargestellt, die fünfte sollte oben sein. Quelle: Wissenschaftlicher Artikel "Bestätigung der Topologie des Wendelstein 7-X-Magnetfelds auf besser als 1: 100.000" , veröffentlicht am 30. November 2016, Nature Communications, doi: 10.1038 / ncomms13493Warum sollte ein Stellarator eine so bizarre Form haben?Satz über das Kämmen von Igeln
Der Igelkammsatz besagt, dass es auf einer Kugel unmöglich ist, die Tangentenrichtung an jedem Punkt zu wählen, die an allen Punkten der Kugel definiert ist und kontinuierlich vom Punkt abhängt. Informell gesehen ist es unmöglich, einen in einer Kugel zusammengerollten Igel so zu kämmen, dass keine einzige Nadel herausragt - daher die Erwähnung des Igels im Titel des Satzes. Der Satz ist eine Folge des 1912 von Brauer bewiesenen Fixpunktsatzes .Aus dem Satz über das Kämmen des Igels folgt unter anderem, dass es auf der Oberfläche des Planeten immer einen Punkt gibt, an dem die Windgeschwindigkeit Null ist.In Kenntnis des Satzes des Igelkämmens entwickelten deutsche Ingenieure eine spezielle Form eines Stellarators, bei dem die magnetischen Induktionsvektoren „gekämmt“ werden, sodass die Kernfusion (die Bildung von Helium aus Wasserstoff) entlang der gesamten geschlossenen Schleife in der Mitte der Kammer fortgesetzt wird. Es reicht aus, die Maschine einzuschalten und ein kontinuierlicher Prozess beginnt mit der Freisetzung von Energie.
Die Form des Stellarators leitet sich genau aus den mathematischen Gleichungen des Igelkammsatzes ab.Wendelstein 7-X Stellarator KonzeptDie Form des Stellarators wurde auf einem Computer simuliert, alle Vektoren werden berechnet und verifiziert. Es blieb nur die Frage: Könnten Ingenieure die Theorie zum Leben erwecken - und tatsächlich einen Metallstellarator von solch ungewöhnlicher Form ausschütten? Es wurde sofort klar, dass das Projekt sehr teuer sein würde (infolgedessen kostete der Bau des Stellarators selbst 370 Millionen Euro und zusammen mit dem Bau, den Gehältern und anderen Kosten 1,08 Milliarden Euro; Deutschland übernahm 80% der Mittel, die Europäische Union 20%). . Aber es steht viel auf dem Spiel: Die Energiequelle aus der Fusion verspricht eine Revolution in der Weltenergie. Deshalb machten sich die Ingenieure an die Arbeit.Wendelstein 7-X Stellarator Baugruppe
Der Stellarator wurde von April 2005 bis April 2014 zusammengebaut. In den neun Baujahren benötigte die Anlage 1,1 Millionen Arbeitsstunden. Dann begann die technische Vorbereitung für das Experiment. Jedes technische System wurde getestet: Vakuumgefäße, Kühlsystem, supraleitende Spulen und deren Magnetfeld, Steuersystem sowie Heizgeräte und Messinstrumente.
Montage des Wendelstein 7-X Stellarators, November 2011. Foto: IPP, Wolfgang FilserDie Wendelstein 7-X Stellaratorwicklung besteht aus 50 nichtplanaren und 20 planaren supraleitenden Magnetspulen. Sie erzeugen ein Magnetfeld, in dem das Wasserstoffplasma auf 100 Millionen Grad Celsius erhitzt wird. Die Spulen verwenden Leiter aus Niob-Titan-Legierungen. Dieses Material geht in einen supraleitenden Zustand über, wenn die Temperatur unter 9,2 ° K fällt. Die Magnetkühlung ist bei flüssigem Helium bei –270 ° C Standard. Aufgrund der Notwendigkeit einer kontinuierlichen Kühlung werden die Spulen in einem Kryostaten installiert, der eine innere und eine äußere Hülle aufweist, die durch Vakuum voneinander isoliert sind. Um das Plasma zu untersuchen und zu erhitzen, werden 254 Löcher in der Schale verwendet.Technisch gesehen besteht der Wendelstein 7-X Stellarator aus fünf nahezu identischen Modulen. In jedem von ihnen befinden sich eine Plasmahülle, eine Wärmeisolierung, 10 supraleitende nichtplanare Spulen, 4 verbundene planare Spulen, ein Rohrsystem für flüssiges Helium, ein Segment zur Unterstützung des Zentralrings und eine äußere Hülle.
Das Plasma wird nach drei Methoden erhitzt: Mikrowellenerwärmung mit einer Generatorleistung von 10 MW, Hochfrequenzerwärmung von 4 MW und einem Strahl neutraler Partikel von 20 MW.Als alle fünf Module an der Basis des Stellarators installiert waren, begannen die Arbeiten an ihren Schweiß- und Verbindungssystemen für Heizung und Plasmaüberwachung.
Unternehmen aus ganz Europa waren am Bau des Stellarators beteiligt. Einer der Hauptauftragnehmer war MAN Diesel & Turbo, der auch an der Herstellung von Stahlsegmenten der Plasmakammer beteiligt war. Im Allgemeinen hat es einen Außendurchmesser von 12,9 m und eine Höhe von 2,4 m. Sie mussten viele technische Probleme lösen. Beispielsweise haben Stahlplasmakammern eine bizarre Form und müssen mit einer Toleranz von +/– 2 mm gegossen werden. Jede Kammer besteht aus 200 Ringen, und jeder Ring besteht aus mehreren 15-cm-Stahlstreifen, die gemäß der komplexen Geometrie, die im Computersimulationsprogramm gemäß den Formeln des Igelkämmsatzes berechnet wurde, speziell gekrümmt sind. Die Module wurden im MAN Diesel & Turbo Werk in Düsseldorf hergestellt.
Die gleiche Präzision und die gleichen spezifischen wissenschaftlichen Anforderungen wurden an Kühlschlangen für Schlangen gestellt.
Montage der Wärmedämmung der Außenhülle DieOrganisatoren sind der Ansicht, dass die Teilnahme an dem Projekt jedem Unternehmen eine unschätzbare technische Erfahrung bescherte und für sich genommen prestigeträchtig war. Zum Beispiel mussten MAN Diesel & Turbo-Spezialisten spezifische 3D-Designprogramme und elektronische Laserwerkzeuge zur Bewertung der Geometrie beherrschen. Seitdem sind diese Werkzeuge Teil des laufenden Produktionsprozesses des Unternehmens.Das Plasmaheizsystem wurde von Thales Electron Devices (Frankreich), Element Six (Großbritannien), Diamond Materials (Deutschland) und Reuter Technologie (Deutschland) hergestellt.Thales Electron Devices stellte in enger Zusammenarbeit mit deutschen Physikern wichtige Plasmaheizgeräte her - Gyrotrons.Gyrotron ist ein elektrischer Vakuum-Mikrowellengenerator, eine Art Zyklotron-Resonanz-Maser. Die Quelle der Mikrowellenstrahlung ist ein Elektronenstrahl, der sich in einem starken Magnetfeld dreht. Strahlung wird mit einer Frequenz erzeugt, die dem Zyklotron im Hohlraum entspricht, mit einer kritischen Frequenz nahe der erzeugten. Der Gyrotron wurde in der UdSSR am NIRFI in der Stadt Gorki (heute Nischni Nowgorod) erfunden.
— Wendelstein 7-X 1 , — , , Diamond Materials Element SixDas Plasma im Reaktor wird in einem Magnetfeld gehalten, aber sein Kontakt mit der Innenhülle kann nicht vermieden werden. Obwohl die Plasmatemperatur auf nur 100.000 ° C abfällt, ist es dennoch erforderlich, das Innere der Stahlkammer mit einem hitzebeständigen Material zu bedecken, das gleichzeitig Wärme abführt. Die Herstellung solcher Divertoren übernahm die österreichische Firma Plansee. Die Ingenieure schufen Strukturelemente aus neuen Materialien: kohlefaserverstärkte Kohlenstoffblöcke (Kohlenstoff-Graphit-Verbundwerkstoff) und wassergekühltes Metall. Insgesamt mussten für den Stellarator 890 Divertorelemente aus 18.000 Blöcken hergestellt werden. Das neue Material wurde bereits von Erfindern namens EXTREMAT patentiert .
Plansee Wärmeübertragungsumlenker absorbiert kontinuierlich 10 MW pro QuadratmeterDie supraleitenden Spulen einer Legierung aus Niob und Titan mit komplexer Form für den Stellarator wurden von Babcock Noell (Deutschland) hergestellt.
In zehnjähriger Bauzeit konnten alle technischen Probleme gelöst und das Mega-Design des Stellarators in Betrieb genommen werden.Erstellen eines Stellarators am Max-Planck-Institut für PlasmaphysikAm 10. Dezember 2015 fand ein historisches Ereignis statt: Der experimentelle Stellarator Wendelstein 7-X wurde erstmals am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Griswald vorgestellt .Wendelstein 7-X: Erstes PlasmaDie Bediener des Stellarators gaben den Befehl, ein Magnetfeld zu erzeugen, und starteten ein Computersteuerungssystem für das Experiment. Sie speisten etwa ein Milligramm Helium in das Plasmakompartiment ein, schalteten die Mikrowellenheizung für einen kurzen 1,3-Megawatt-Impuls ein - und das erste Plasma wurde mit installierten Kameras und Messinstrumenten aufgezeichnet. Das erste Plasma blieb 0,1 Sekunden lang stabil und erreichte eine Temperatur von etwa einer Million Grad Celsius.Projektmanager Professor Thomas Klinger sagte, der Plan sei, mit Helium zu beginnen, da es einfacher sei, einen Plasmazustand zu erhalten. 2016 begannen Experimente mit Wasserstoffplasma.Magnetfeldmessung
Das Plasma auf eine Million Grad oder mehr zu erhitzen ist gut, aber die Hauptfrage blieb offen, ob es den Wissenschaftlern wirklich gelungen ist, den Stellarator mit der richtigen Form gemäß dem Satz über das Kämmen des Igels zusammenzubauen. Stimmt das Ergebnis mit dem mathematischen Modell überein? Dies ist die wichtigste Frage, denn noch nie hat jemand einen solchen Fusionsreaktor zusammengebaut. Wird es wirklich eine Fusion mit den angegebenen Parametern geben?30. November 2016 haben wir eine Antwort auf diese Frage erhalten. An diesem Tag veröffentlichte die Zeitschrift Nature Communications den wissenschaftlichen Artikel "Bestätigung der Topologie des Wendelstein 7-X-Magnetfelds auf besser als 1: 100.000".(offener Zugang). Es präsentiert die Ergebnisse von Messungen des Magnetfelds in der Ringkammer, die die tatsächliche Leistung des Wendelstein 7-X-Stellarators gemäß den berechneten Parametern bestätigen. Die Messungen wurden vor dem Erhitzen des Plasmas durchgeführt, aber sie zeigen, dass es den Ingenieuren auf der Baustelle wirklich gelungen ist, ein Mega-Design zusammenzustellen, das den berechneten Parametern vollständig entspricht. Die magnetische Topologie der Maschine wird von deutschen Ingenieuren mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt.
Visualisierung des Magnetfeldes im Stellarator mit neutralem Gas (einem Gemisch aus Wasserdampf und Stickstoff). Drei helle Punkte - Kalibratoren für die Kamera.
Poincare-Bereich eines geschlossenen Magnetkreises. Der Elektronenstrahl durchlief ihn mehr als 40 Mal, d. H. Mehr als 1 km
Eine leichte Verschiebung des Magnetfeldes aufgrund der Verformung supraleitender MagneteDer größte Stellarator der Welt funktioniert also wirklich.Source: https://habr.com/ru/post/de399993/
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