Megakonstruktsii. Stellarateur allemand Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X est le plus grand réacteur à fusion de type stellarateur au monde , qui effectue une fusion contrôlée. Une configuration expérimentale bizarre a été construite à l'Institut Max Planck de physique des plasmas de Greiswald pour tester l'utilisation de ce type d'appareil comme centrale thermonucléaire. Selon certaines prévisions, d'ici 2100, la consommation d'énergie sur Terre augmentera d'environ 6 fois. Certains experts estiment que seule l'énergie thermonucléaire peut satisfaire les besoins énergétiques croissants de l'humanité.1 gramme de combustible hydrogène (deutérium et tritium) dans une telle usine produit 90 000 kWh d'énergie, ce qui équivaut à brûler 11 tonnes de charbon.Énergie thermonucléaire
Selon les économistes et les futurologues, l'humanité a un besoin urgent d'une source d'énergie fiable et puissante. Les réserves mondiales d'hydrocarbures sont limitées. Si la consommation d'énergie multiplie par six d'ici 2100, le système énergétique doit être réformé et restructuré, et le plus tôt sera le mieux. L'énergie thermonucléaire semble être une bonne solution au problème.Les noyaux atomiques sont constitués de nucléons (protons et neutrons), qui sont maintenus ensemble par une forte interaction. Si nous ajoutons des nucléons aux noyaux légers ou retirons les nucléons des atomes lourds, alors la différence dans l'énergie de liaison sera libérée. L'énergie du mouvement des particules entre dans le mouvement thermique des atomes. Ainsi, l'énergie nucléaire se manifeste sous forme de chauffage. Un changement dans la composition du noyau est appelé une réaction nucléaire. Une réaction nucléaire avec une diminution du nombre de nucléons dans un noyau est appelée désintégration nucléaire ou fission nucléaire. Une réaction nucléaire avec une augmentation du nombre de nucléons dans le noyau est appelée réaction thermonucléaire ou fusion nucléaire.
Fusion nucléaireLa fusion thermonucléaire contrôlée diffère de l'énergie nucléaire traditionnelle en ce qu'elle utilise une réaction de désintégration, au cours de laquelle des noyaux plus légers sont obtenus à partir de noyaux lourds. Dans la synthèse des noyaux légers, les noyaux lourds sont synthétisés. Contrairement à une réaction nucléaire en chaîne, la fusion nucléaire est contrôlable.La question de la fusion thermonucléaire contrôlée au niveau mondial s'est posée au milieu du XXe siècle, puis les concepts des premiers réacteurs pour la fusion thermonucléaire contrôlée, y compris les tokamaks et les stellarateurs, sont apparus.Jusqu'à récemment, les scientifiques n'ont pas été en mesure de surmonter les problèmes technologiques pour prouver que la fusion thermonucléaire contrôlée peut vraiment être utilisée dans la pratique et que ces centrales électriques seront rentables. Ce fait doit être prouvé par les réacteurs expérimentaux ITER et Wendelstein 7-X.Stellarators
Wendelstein 7-XDans un réacteur à fusion, le combustible est placé à l'intérieur d'un champ magnétique et chauffé à une température d'environ 100 millions de degrés Celsius, à laquelle se produit une réaction contrôlée stable de fusion nucléaire.Stellarator - un type de réacteur pour la mise en œuvre de la fusion thermonucléaire contrôlée. Le nom vient de lat. stella est une étoile, ce qui devrait indiquer une similitude des processus se produisant dans le stellarateur et à l'intérieur des étoiles. Inventé par l'astrophysicien américain Lyman Spitzer en 1958. Le premier modèle a été construit sous la direction de Spitzer en 1959 dans le cadre du projet secret du Cervin, qui en 1961, après déclassification, a été rebaptisé Laboratoire de physique des plasmas de l'Université de Princeton .Le stellarator est un piège magnétique fermé pour contenir du plasma à haute température. La différence fondamentale entre un stellarateur et un tokamak est que le champ magnétique pour isoler le plasma des parois internes de la chambre toroïdale est entièrement créé par des bobines externes, ce qui, entre autres, lui permet d'être utilisé en mode continu. Ses lignes de force subissent une transformation rotationnelle, à la suite de laquelle ces lignes tournent à plusieurs reprises autour du tore et forment un système de surfaces magnétiques toroïdales fermées encastrées les unes dans les autres.Les stellarateurs étaient populaires dans les années 50 et 60, mais l'attention de la communauté scientifique s'est ensuite portée sur les tokamaks, qui ont donné des résultats plus encourageants. Tout a changé au 21e siècle. En raison du développement puissant de la technologie informatique et des programmes d'infographie, le système de stellarator magnétique a été optimisé. En conséquence, une configuration complètement nouvelle de la transformation rotationnelle est apparue, non pas avec deux enroulements, comme dans toutes les conceptions précédentes du stellarateur, mais avec un seul enroulement . Certes, cet enroulement est d'une forme très astucieuse.
La topologie du stellarateur Wendelstein 7-X dans un programme de simulation informatique avec des lignes de champ magnétique. Les bobines planes (plates) sont marquées en brun, les bobines non planes sont indiquées en gris. Certaines bobines manquent sur le rendu pour montrer la structure des structures imbriquées du stellarateur (à gauche) et les sections de Poincaré pour ces structures (à droite). Quatre des cinq bobines de filtre externes sont représentées en jaune, la cinquième doit être en haut. Source: Article scientifique "Confirmation de la topologie du champ magnétique Wendelstein 7-X à mieux que 1: 100 000" , publié le 30 novembre 2016, Nature Communications, doi: 10.1038 / ncomms13493Pourquoi un stellarateur aurait-il une forme si bizarre?Théorème de peignage du hérisson
Le théorème de peignage du hérisson stipule que sur une sphère, il est impossible de choisir la direction tangente à chaque point, qui est définie à tous les points de la sphère et dépend en permanence du point. De manière informelle, il est impossible de peigner un hérisson recroquevillé en boule de sorte qu'aucune aiguille ne dépasse - d'où la mention du hérisson dans le titre du théorème. Le théorème est une conséquence du théorème du point fixe , prouvé en 1912 par Brauer.Du théorème du peignage du hérisson, il s'ensuit, entre autres, qu'à la surface de la planète il y a toujours un point où la vitesse du vent est nulle.Connaissant le théorème du peignage du hérisson, les ingénieurs allemands ont conçu une forme spécifique de stellarateur dans laquelle les vecteurs d'induction magnétique sont «peignés» afin que la fusion nucléaire (la formation d'hélium à partir de l'hydrogène) se poursuive tout au long de la boucle fermée au centre de la chambre. Il suffit d'allumer la machine et un processus continu commence par la libération d'énergie.
La forme du stellarateur est dérivée précisément des équations mathématiques du théorème de peignage du hérisson.Wendelstein 7-X Stellarator ConceptLa forme du stellarateur a été simulée sur ordinateur, tous les vecteurs sont calculés et vérifiés. Tout ce qui restait était la question: les ingénieurs pouvaient-ils donner vie à la théorie - et en fait déverser un stellarateur métallique d'une forme si inhabituelle? Il est immédiatement devenu clair que le projet coûterait très cher (en conséquence, la construction du stellarator lui-même a coûté 370 millions d'euros, et avec le bâtiment, les salaires et autres dépenses - 1,08 milliard d'euros; l'Allemagne a pris plus de 80% du financement, l'Union européenne en a pris 20%) . Mais l'enjeu est de taille: la source d'énergie issue de la fusion promet une révolution dans l'énergie mondiale. Par conséquent, les ingénieurs se sont mis au travail.Ensemble Stellarator Wendelstein 7-X
Le stellarator a été assemblé d'avril 2005 à avril 2014. Au cours des neuf années de construction, l'installation a nécessité 1,1 million d'heures de travail. Commence alors la préparation technique de l'expérience. Chaque système technique a été testé: cuves à vide, système de refroidissement, bobines supraconductrices et leur champ magnétique, système de contrôle, ainsi que des appareils de chauffage et des instruments de mesure.
Assemblage du Stellarator Wendelstein 7-X, novembre 2011. Photo: IPP, Wolfgang FilserL'enroulement stellaire du Wendelstein 7-X se compose de 50 bobines magnétiques supraconductrices non planes et 20 planaires supraconductrices. Ils génèrent un champ magnétique dans lequel le plasma d'hydrogène est chauffé à 100 millions de degrés Celsius. Les bobines utilisent des conducteurs en alliage niobium-titane. Ce matériau passe dans un état supraconducteur lorsque la température descend en dessous de 9,2 ° K. Le refroidissement magnétique est standard avec de l'hélium liquide à -270 ° C. En raison de la nécessité d'un refroidissement continu, les bobines sont installées à l'intérieur d'un cryostat ayant une coque intérieure et extérieure, isolées l'une de l'autre par le vide. Pour étudier et chauffer le plasma, 254 trous dans la coque sont utilisés.Techniquement, le stellarator Wendelstein 7-X se compose de cinq modules presque identiques. Dans chacun d'eux, il y a une coque de plasma, une isolation thermique, 10 bobines supraconductrices non planes, 4 bobines planes connectées, un système de tubes pour l'hélium liquide, un segment pour supporter l'anneau central et une coque externe.
Le plasma est chauffé par trois méthodes: le chauffage par micro-ondes avec une puissance de générateur de 10 MW, le chauffage par radiofréquence de 4 MW et un faisceau de particules neutres de 20 MW.Lorsque les cinq modules ont été installés en place à la base du stellarateur, les travaux ont commencé sur leurs systèmes de soudage, de raccordement pour le chauffage et la surveillance du plasma.
Des entreprises de toute l'Europe ont participé à la construction du stellarator. L'un des principaux entrepreneurs était MAN Diesel & Turbo, qui était également impliqué dans la fabrication de segments en acier de la chambre à plasma. D'une manière générale, il a un diamètre extérieur de 12,9 m et une hauteur de 2,4 m et a dû résoudre de nombreux problèmes techniques. Par exemple, les chambres à plasma en acier ont une forme bizarre et doivent être coulées avec une tolérance de +/- 2 mm. Chaque chambre se compose de 200 anneaux, et chaque anneau se compose de plusieurs bandes d'acier de 15 cm, spécialement incurvées selon la géométrie complexe calculée dans le programme de simulation informatique selon les formules du théorème de peignage du hérisson. Les modules ont été fabriqués dans l'usine MAN Diesel & Turbo de Düsseldorf.
La même précision et les exigences scientifiques spécifiques ont été imposées aux serpentins de refroidissement des serpentins.
Assemblage de l'isolation thermique de la coque extérieure Lesorganisateurs estiment que la participation au projet a donné à chaque entreprise une expérience technique inestimable et prestigieuse en soi. Par exemple, les spécialistes de MAN Diesel et Turbo devaient maîtriser des programmes de conception 3D spécifiques et des outils laser électroniques pour évaluer la géométrie. Depuis lors, ces outils font désormais partie du processus de production en cours de l'entreprise.Le système de chauffage au plasma a été fabriqué par Thales Electron Devices (France), Element Six (Grande-Bretagne), Diamond Materials (Allemagne) et Reuter Technologie (Allemagne).Thales Electron Devices, en étroite collaboration avec des physiciens allemands, fabriquait des appareils de chauffage au plasma clés - les gyrotrons.Le gyrotron est un générateur de micro-ondes à vide électrique, qui est une sorte de maser à résonance cyclotron. La source de rayonnement micro-ondes est un faisceau d'électrons tournant dans un fort champ magnétique. Le rayonnement est généré à une fréquence égale au cyclotron dans la cavité avec une fréquence critique proche de celle générée. Le gyrotron a été inventé en URSS au NIRFI dans la ville de Gorki (aujourd'hui Nijni Novgorod).
— Wendelstein 7-X 1 , — , , Diamond Materials Element SixLe plasma à l'intérieur du réacteur est maintenu dans un champ magnétique, mais tout de même, son contact avec l'enveloppe intérieure ne peut être évité. Bien que la température du plasma ne descende qu'à 100 000 ° C, il est toujours nécessaire de recouvrir l'intérieur de la chambre en acier d'un matériau résistant à la chaleur qui élimine simultanément la chaleur. La fabrication de ces diverteurs a été confiée à la société autrichienne Plansee. Les ingénieurs ont créé des éléments structurels à partir de nouveaux matériaux: des blocs de carbone renforcés de fibres de carbone (composite carbone-graphite) et du métal refroidi par eau. Au total, pour le stellarator, il a été nécessaire de fabriquer 890 éléments de dérivation à partir de 18 000 blocs. Le nouveau matériau a déjà été breveté par des inventeurs appelés EXTREMAT .
Le déviateur de transfert de chaleur Plansee absorbe 10 MW par mètre carré en continuLes bobines supraconductrices d'un alliage de niobium et de titane de forme complexe pour le stellarator ont été fabriquées par Babcock Noell (Allemagne).
Pendant dix ans de construction, il a été possible de résoudre tous les problèmes techniques et de mettre en service la méga-conception du stellarator.Création d'un stellarateur à l'Institut Max Planck de physique des plasmasUn événement historique a eu lieu le 10 décembre 2015: le stellarateur expérimental Wendelstein 7-X a été lancé pour la première fois à l'Institut Max Planck de physique des plasmas (IPP) à Griswald .Wendelstein 7-X: premier plasmaLes opérateurs du stellarator ont donné l'ordre de générer un champ magnétique et ont lancé un système de contrôle informatique pour l'expérience. Ils ont introduit environ un milligramme d'hélium dans le compartiment plasma, allumé le chauffage par micro-ondes pour une courte impulsion de 1,3 mégawatt - et le premier plasma a été enregistré par des caméras et des instruments de mesure installés. Le premier plasma est resté stable pendant 0,1 seconde et a atteint une température d'environ un million de degrés Celsius.Le directeur du projet, le professeur Thomas Klinger, a déclaré que le plan était de commencer par l'hélium, car il est plus facile d'obtenir un état plasma. En 2016, des expériences avec du plasma d'hydrogène ont commencé.Mesure du champ magnétique
Chauffer le plasma à un million de degrés ou plus est bien, mais la principale question reste ouverte de savoir si les scientifiques ont vraiment réussi à assembler le stellarateur de la bonne forme, conformément au théorème sur le peignage du hérisson. Le résultat est-il conforme au modèle mathématique? C'est la question la plus importante, car personne n'a jamais assemblé un tel réacteur à fusion auparavant. Y aura-t-il vraiment une fusion avec les paramètres donnés?Le 30 novembre 2016, nous avons reçu une réponse à cette question. Ce jour-là, la revue Nature Communications a publié l'article scientifique "Confirmation de la topologie du champ magnétique Wendelstein 7-X à mieux que 1: 100 000"(accès libre). Il présente les résultats des mesures du champ magnétique à l'intérieur de la chambre toroïdale, qui confirment les performances réelles du stellarateur Wendelstein 7-X en fonction des paramètres calculés. Les mesures ont été faites avant que le plasma ne soit chauffé, mais elles montrent que les ingénieurs du chantier ont vraiment réussi à assembler un méga-design qui correspond pleinement aux paramètres calculés. La topologie magnétique de la machine est réalisée par des ingénieurs allemands avec la précision requise.
Visualisation du champ magnétique dans le stellarateur à l'aide de gaz neutre (mélange de vapeur d'eau et d'azote). Trois points lumineux - calibrateurs pour la caméra
Section Poincare d'un circuit magnétique fermé. Le faisceau d'électrons l'a traversé plus de 40 fois, soit plus de 1 km
Un léger décalage du champ magnétique dû à la déformation des aimants supraconducteursAinsi, le plus grand stellarateur du monde fonctionne vraiment.Source: https://habr.com/ru/post/fr399993/
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