Megakonstruktsii. Stellarator alemán Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X es el reactor de fusión más grande del mundo del tipo estellarador , que lleva a cabo una fusión controlada. Se construyó una configuración experimental extraña en el Instituto Max Planck de Física de Plasma en Greiswald para probar el uso de este tipo de dispositivo como una estación de energía termonuclear. Según algunas previsiones, para 2100, el consumo de energía en la Tierra aumentará unas 6 veces. Algunos expertos creen que solo la energía termonuclear puede satisfacer las crecientes necesidades energéticas de la humanidad.1 gramo de combustible de hidrógeno (deuterio y tritio) en dicha planta produce 90,000 kWh de energía, lo que equivale a quemar 11 toneladas de carbón.Energía termonuclear
Según economistas y futurólogos, la humanidad necesita urgentemente una fuente de energía confiable y poderosa. Las reservas mundiales de hidrocarburos son limitadas. Si el consumo de energía se multiplica por seis para 2100, el sistema de energía necesita ser reformado y reestructurado, y cuanto antes mejor. La energía termonuclear parece ser una buena solución al problema.Los núcleos atómicos consisten en nucleones (protones y neutrones), que se mantienen unidos por una fuerte interacción. Si agregamos nucleones a núcleos ligeros o eliminamos nucleones de átomos pesados, entonces se liberará la diferencia en la energía de unión. La energía del movimiento de partículas entra en el movimiento térmico de los átomos. Por lo tanto, la energía nuclear se manifiesta en forma de calentamiento. Un cambio en la composición del núcleo se llama reacción nuclear. Una reacción nuclear con una disminución en el número de nucleones en un núcleo se llama desintegración nuclear o fisión nuclear. Una reacción nuclear con un aumento en el número de nucleones en el núcleo se llama reacción termonuclear o fusión nuclear.
Fusión nuclearLa fusión termonuclear controlada difiere de la energía nuclear tradicional en que esta última utiliza una reacción de desintegración, durante la cual se obtienen núcleos más ligeros a partir de núcleos pesados. En la síntesis de núcleos ligeros, se sintetizan los pesados. A diferencia de una reacción en cadena nuclear, la fusión nuclear es controlable.El problema de la fusión termonuclear controlada a nivel mundial surgió a mediados del siglo XX, luego aparecieron los conceptos de los primeros reactores para la fusión termonuclear controlada, incluidos los tokamaks y los estellaradores.Hasta hace poco, los científicos no habían podido superar los problemas tecnológicos para demostrar que la fusión termonuclear controlada realmente se puede utilizar en la práctica y que estas plantas de energía serán rentables. Este hecho debe ser probado por los reactores experimentales ITER y Wendelstein 7-X.Stellarators
Wendelstein 7-XEn un reactor de fusión, el combustible se coloca dentro de un campo magnético y se calienta a una temperatura de aproximadamente 100 millones de grados centígrados, a la cual se produce una reacción controlada estable de fusión nuclear.Stellarator : un tipo de reactor para la implementación de fusión termonuclear controlada. El nombre viene de lat. stella es una estrella, lo que debería indicar una similitud de los procesos que ocurren en el stellarator y dentro de las estrellas. Inventado por el astrofísico estadounidense Lyman Spitzer en 1958. El primer modelo fue construido bajo la dirección de Spitzer en 1959 como parte del proyecto secreto Matterhorn, que en 1961, después de la desclasificación, pasó a llamarse Laboratorio de Física de Plasma en la Universidad de Princeton .El stellarator es una trampa magnética cerrada para contener plasma a alta temperatura. La diferencia fundamental entre un stellarator y un tokamak es que el campo magnético para aislar el plasma de las paredes internas de la cámara toroidal está completamente creado por bobinas externas, que, entre otras cosas, permiten su uso en modo continuo. Sus líneas de fuerza experimentan una transformación rotacional, como resultado de lo cual estas líneas rodean repetidamente el toro y forman un sistema de superficies magnéticas toroidales cerradas incrustadas entre sí.Los estelares fueron populares en los años 50 y 60, pero luego la atención de la comunidad científica se centró en los tokamaks, que mostraron resultados más alentadores. Todo cambió en el siglo XXI. Debido al poderoso desarrollo de la tecnología informática y los programas de gráficos por computadora, se optimizó el sistema de estellador magnético. Como resultado, apareció una configuración completamente nueva de la transformación rotacional, no con dos devanados, como en todos los diseños anteriores del stellarator, sino con un solo devanado . Es cierto que este devanado es muy astuto en su forma.
La topología del stellarator Wendelstein 7-X en un programa de simulación por computadora con líneas de campo magnético. Las bobinas de bobinado planas (planas) están marcadas en marrón, las bobinas no planas se indican en gris. Faltan algunas bobinas en el render para mostrar la estructura de las estructuras anidadas del stellarator (izquierda) y las secciones de Poincare para estas estructuras (derecha). Cuatro de las cinco bobinas de filtro externas se muestran en amarillo, la quinta debe estar en la parte superior. Fuente: Documento científico "Confirmación de la topología del campo magnético Wendelstein 7-X a mejor de 1: 100,000" , publicado el 30 de noviembre de 2016, Nature Communications, doi: 10.1038 / ncomms13493¿ Por qué un stellarator tendría una forma tan extraña?Teorema de peinado erizo
El teorema de peinado del erizo establece que en una esfera es imposible elegir la dirección tangente en cada punto, que se define en todos los puntos de la esfera y depende continuamente del punto. Hablando informalmente, es imposible peinar a un erizo acurrucado en una bola para que no sobresalga una sola aguja, de ahí la mención del erizo en el título del teorema. El teorema es una consecuencia del teorema del punto fijo , probado en 1912 por Brauer.Del teorema de peinar al erizo se deduce, entre otras cosas, que en la superficie del planeta siempre hay un punto en el que la velocidad del viento es cero.Conociendo el teorema de peinado del erizo, los ingenieros alemanes diseñaron una forma específica de estellarador, en el que los vectores de inducción magnética se "peinan" para que la fusión nuclear (la formación de helio a partir del hidrógeno) continúe a lo largo de todo el circuito cerrado en el centro de la cámara. Es suficiente encender la máquina y un proceso continuo comienza con la liberación de energía.
La forma del stellarator se deriva precisamente de las ecuaciones matemáticas del teorema de peinado erizo.Wendelstein 7-X Stellarator ConceptLa forma del stellarator se simuló en una computadora, todos los vectores se calculan y verifican. Todo lo que quedaba por hacer era la pregunta: ¿podrían los ingenieros dar vida a la teoría? Y, de hecho, verter un stellarator de metal de una forma tan inusual. Inmediatamente se hizo evidente que el proyecto sería muy costoso (como resultado, la construcción del propio stellarator costó 370 millones de euros, y junto con el edificio, los salarios y otros gastos - 1.08 mil millones de euros; Alemania se hizo cargo del 80% de la financiación, la Unión Europea se llevó el 20%) . Pero hay mucho en juego: la fuente de energía de la fusión promete una revolución en la energía mundial. Por lo tanto, los ingenieros se pusieron a trabajar.Wendelstein 7-X Stellarator Assembly
El stellarator fue ensamblado de abril de 2005 a abril de 2014. Durante los nueve años de construcción, la instalación requirió 1.1 millones de horas hombre de trabajo. Luego comenzó la preparación técnica para el experimento. Se probó cada sistema técnico: recipientes de vacío, sistema de enfriamiento, bobinas superconductoras y su campo magnético, sistema de control, así como dispositivos de calentamiento e instrumentos de medición.
Montaje del Wendelstein 7-X Stellarator, noviembre de 2011. Foto: IPP, Wolfgang FilserEl devanado del estellador Wendelstein 7-X consta de 50 bobinas magnéticas superconductoras no planas y 20 planas. Generan un campo magnético en el que el plasma de hidrógeno se calienta a 100 millones de grados Celsius. Las bobinas usan conductores de aleación de niobio-titanio. Este material entra en un estado superconductor cuando la temperatura cae por debajo de 9.2 ° K. El enfriamiento magnético es estándar con helio líquido a −270 ° C. Debido a la necesidad de enfriamiento continuo, las bobinas se instalan dentro de un criostato que tiene una carcasa interna y externa, aisladas entre sí por vacío. Para estudiar y calentar el plasma, se utilizan 254 agujeros en la carcasa.Técnicamente, el estellador Wendelstein 7-X consta de cinco módulos casi idénticos. En cada uno de ellos hay una carcasa de plasma, aislamiento térmico, 10 bobinas superconductoras no planas, 4 bobinas planas conectadas, un sistema de tubos para helio líquido, un segmento para soportar el anillo central y una carcasa externa.
El plasma se calienta mediante tres métodos: calentamiento por microondas con una potencia del generador de 10 MW, calentamiento por radiofrecuencia de 4 MW y un haz de partículas neutras de 20 MW.Cuando los cinco módulos se instalaron en su lugar en la base del stellarator, se comenzó a trabajar en su soldadura, conectando sistemas para calefacción y monitoreo de plasma.
Empresas de toda Europa participaron en la construcción del stellarator. Uno de los principales contratistas fue MAN Diesel & Turbo, que también participó en la fabricación de segmentos de acero de la cámara de plasma. En general, tiene un diámetro externo de 12.9 my una altura de 2.4 m. Tuvieron que resolver muchos problemas técnicos. Por ejemplo, las cámaras de plasma de acero tienen una forma extraña y deben fundirse con una tolerancia de +/− 2 mm. Cada cámara consta de 200 anillos, y cada anillo consta de varias tiras de acero de 15 cm, especialmente curvadas de acuerdo con la geometría compleja calculada en el programa de simulación por computadora de acuerdo con las fórmulas del teorema de peinado del erizo. Los módulos fueron fabricados en la fábrica MAN Diesel & Turbo en Dusseldorf.
La misma precisión y requisitos científicos específicos se impusieron en las bobinas de enfriamiento para bobinas.
Montaje del aislamiento térmico de la carcasa exterior Losorganizadores creen que participar en el proyecto le dio a cada empresa una experiencia técnica invaluable y fue prestigiosa en sí misma. Por ejemplo, los especialistas de MAN Diesel & Turbo tuvieron que dominar programas específicos de diseño 3D y herramientas láser electrónicas para evaluar la geometría. Desde entonces, estas herramientas se han convertido en parte del proceso de producción en curso de la compañía.El sistema de calentamiento por plasma fue fabricado por Thales Electron Devices (Francia), Element Six (Gran Bretaña), Diamond Materials (Alemania) y Reuter Technologie (Alemania).Thales Electron Devices, en estrecha colaboración con físicos alemanes, fabricaba dispositivos clave de calentamiento por plasma: los girotrones.Gyrotron es un generador de microondas de vacío eléctrico, que es una especie de maser de resonancia ciclotrónica. La fuente de radiación de microondas es un haz de electrones que gira en un fuerte campo magnético. La radiación se genera a una frecuencia igual al ciclotrón en la cavidad con una frecuencia crítica cercana a la generada. El gyrotron fue inventado en la URSS en el NIRFI en la ciudad de Gorki (ahora Nizhny Novgorod).
— Wendelstein 7-X 1 , — , , Diamond Materials Element SixEl plasma dentro del reactor se mantiene en un campo magnético, pero de todos modos, no se puede evitar su contacto con la carcasa interna. Aunque la temperatura del plasma cae a tan solo 100,000 ° C, aún es necesario cubrir el interior de la cámara de acero con un material resistente al calor que elimine simultáneamente el calor. La fabricación de dichos desviadores estuvo a cargo de la empresa austriaca Plansee. Los ingenieros crearon elementos estructurales a partir de nuevos materiales: bloques de carbono reforzados con fibra de carbono (compuesto de carbono-grafito) y metal refrigerado por agua. En total, para el stellarator, se requirió fabricar 890 elementos de desviación de 18,000 bloques. El nuevo material ya ha sido patentado por inventores llamado EXTREMAT .
El desviador de transferencia de calor Plansee absorbe 10 MW por metro cuadrado continuamenteBabcock Noell (Alemania) fabricó las bobinas superconductoras de una aleación de niobio y titanio de forma compleja para el stellarator.
Durante diez años de construcción, fue posible resolver todos los problemas técnicos y poner en funcionamiento el megadiseño del stellarator.Creación de un stellarator en el Instituto Max Planck de Física del PlasmaUn evento histórico tuvo lugar el 10 de diciembre de 2015: el stellarator experimental Wendelstein 7-X se lanzó por primera vez en el Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) en Griswald .Wendelstein 7-X: primer plasmaLos operadores del stellarator dieron una orden para generar un campo magnético y lanzaron un sistema de control por computadora para el experimento. Alimentaron aproximadamente un miligramo de helio en el compartimento de plasma, encendieron el calentamiento por microondas durante un pulso corto de 1.3 megavatios, y el primer plasma fue grabado por cámaras instaladas e instrumentos de medición. El primer plasma permaneció estable durante 0.1 segundos y alcanzó una temperatura de aproximadamente un millón de grados centígrados.El director del proyecto, el profesor Thomas Klinger, dijo que el plan era comenzar con helio porque es más fácil obtener un estado de plasma. En 2016, comenzaron los experimentos con plasma de hidrógeno.Medición de campo magnético
Calentar el plasma a un millón de grados o más es bueno, pero la pregunta principal permaneció abierta si los científicos realmente lograron ensamblar el stellarator de la forma correcta, de acuerdo con el teorema sobre el peinado del erizo. ¿El resultado es consistente con el modelo matemático? Esta es la pregunta más importante, porque nadie ha ensamblado un reactor de fusión de este tipo antes. ¿Realmente habrá fusión con los parámetros dados?30 de noviembre de 2016 recibimos una respuesta a esta pregunta. En este día, la revista Nature Communications publicó el artículo científico "Confirmación de la topología del campo magnético Wendelstein 7-X a más de 1: 100,000"(acceso abierto). Presenta los resultados de las mediciones del campo magnético dentro de la cámara toroidal, que confirman el rendimiento real del stellarator Wendelstein 7-X de acuerdo con los parámetros calculados. Las mediciones se realizaron antes de que el plasma se calentara, pero muestran que los ingenieros en el sitio de construcción realmente lograron armar un megadiseño que corresponde completamente a los parámetros calculados. La topología magnética de la máquina está hecha por ingenieros alemanes con la precisión requerida.
Visualización del campo magnético en el stellarator utilizando gas neutro (una mezcla de vapor de agua y nitrógeno). Tres puntos brillantes: calibradores para la cámara,
sección Poincare de un circuito magnético cerrado. El haz de electrones lo atravesó más de 40 veces, es decir, más de 1 km.
Un ligero cambio en el campo magnético debido a la deformación de los imanes superconductores.Por lo tanto, el stellarator más grande del mundo realmente funciona.Source: https://habr.com/ru/post/es399993/
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