Geekly articles weekly

Megakonstruktsii. Stellarator Jerman, Wendelstein 7-X



Wendelstein 7-X adalah reaktor fusi terbesar di dunia dari jenis stellarator , yang melakukan fusi terkontrol. Pengaturan eksperimental yang aneh dibangun di Institut Max Planck untuk Fisika Plasma di Greiswald untuk menguji penggunaan perangkat jenis ini sebagai pembangkit listrik termonuklir. Menurut beberapa perkiraan, pada tahun 2100, konsumsi energi di Bumi akan meningkat sekitar 6 kali lipat. Beberapa ahli percaya bahwa hanya energi termonuklir yang dapat memenuhi kebutuhan energi yang berkembang dari umat manusia.

1 gram bahan bakar hidrogen (deuterium dan tritium) di pabrik semacam itu menghasilkan energi 90.000 kWh, yang setara dengan membakar 11 ton batubara.

Energi termonuklir


Menurut ahli ekonomi dan futurologis, umat manusia sangat membutuhkan sumber energi yang andal dan kuat. Cadangan hidrokarbon dunia terbatas. Jika konsumsi energi tumbuh enam kali lipat pada tahun 2100, sistem energi perlu direformasi dan direstrukturisasi, dan semakin cepat semakin baik. Energi termonuklir tampaknya menjadi solusi yang baik untuk masalah ini.

Inti atom terdiri dari nukleon (proton dan neutron), yang disatukan oleh interaksi yang kuat. Jika kita menambahkan nukleon ke nuklei terang atau menghilangkan nukleon dari atom-atom berat, maka perbedaan energi pengikat akan dilepaskan. Energi gerak partikel masuk ke gerakan termal atom. Dengan demikian, energi nuklir memanifestasikan dirinya dalam bentuk pemanasan. Perubahan komposisi nukleus disebut reaksi nuklir. Reaksi nuklir dengan penurunan jumlah nukleon dalam nukleus disebut peluruhan nuklir atau fisi nuklir. Reaksi nuklir dengan peningkatan jumlah nukleon dalam nukleus disebut reaksi termonuklir atau fusi nuklir.


Fusi nuklir

Fusi termonuklir terkendali berbeda dari energi nuklir tradisional karena fusi termonuklir menggunakan reaksi peluruhan, di mana inti yang lebih ringan diperoleh dari inti yang berat. Dalam sintesis inti cahaya, yang berat disintesis. Tidak seperti reaksi berantai nuklir, fusi nuklir dapat dikendalikan.

Masalah fusi termonuklir terkendali di tingkat dunia muncul pada pertengahan abad ke-20, kemudian konsep reaktor pertama untuk fusi termonuklir terkendali, termasuk tokamak dan stellarator, muncul.

Sampai saat ini, para ilmuwan belum mampu mengatasi masalah teknologi untuk membuktikan bahwa fusi termonuklir terkendali benar-benar dapat digunakan dalam praktek dan pembangkit listrik tersebut akan hemat biaya. Fakta ini harus dibuktikan oleh reaktor eksperimental ITER dan Wendelstein 7-X.

Stellarator



Wendelstein 7-X

Dalam reaktor fusi, bahan bakar ditempatkan di dalam medan magnet dan dipanaskan hingga suhu sekitar 100 juta derajat Celcius, di mana reaksi fusi nuklir terkendali stabil terjadi.

Stellarator - jenis reaktor untuk implementasi fusi termonuklir terkontrol. Nama ini berasal dari lat. stella adalah bintang, yang harus menunjukkan kesamaan proses yang terjadi di stellarator dan di dalam bintang-bintang. Diciptakan oleh ahli astrofisika Amerika Lyman Spitzer pada tahun 1958. Model pertama dibangun di bawah arahan Spitzer pada tahun 1959 sebagai bagian dari proyek rahasia Matterhorn, yang pada tahun 1961, setelah deklasifikasi, berganti nama menjadi Laboratorium Fisika Plasma di Universitas Princeton .

Stellarator adalah perangkap magnetik tertutup untuk memegang plasma suhu tinggi. Perbedaan mendasar antara stellarator dan tokamak adalah bahwa medan magnet untuk mengisolasi plasma dari dinding bagian dalam ruang toroidal sepenuhnya dibuat oleh kumparan eksternal, yang, antara lain, memungkinkannya digunakan dalam mode kontinu. Garis-garis kekuatannya mengalami transformasi rotasi, sebagai akibatnya garis-garis ini berulang kali mengelilingi torus dan membentuk sistem permukaan magnetik toroidal tertutup yang tertanam satu sama lain.

Stellarator populer di tahun 50-an dan 60-an, tetapi kemudian perhatian komunitas ilmiah beralih ke tokamaks, yang menunjukkan hasil yang lebih menggembirakan. Semuanya berubah di abad ke-21. Karena perkembangan yang kuat dari teknologi komputer dan program grafik komputer, sistem stellarator magnetik dioptimalkan. Hasilnya, konfigurasi transformasi rotasi yang sepenuhnya baru muncul, tidak dengan dua belitan, seperti pada semua desain stellarator sebelumnya, tetapi dengan hanya satu belitan . Benar, belitan ini sangat licik dalam bentuk.


Topologi stellarator Wendelstein 7-X dalam program simulasi komputer dengan garis medan magnet. Gulungan planar (datar) ditandai dengan warna coklat, gulungan non-planar ditandai dengan warna abu-abu. Beberapa kumparan hilang pada render untuk menunjukkan struktur struktur bersarang stellarator (kiri) dan bagian Poincare untuk struktur ini (kanan). Empat dari lima gulungan filter eksternal ditunjukkan dengan warna kuning, yang kelima harus di atas. Sumber: Makalah ilmiah "Konfirmasi topologi medan magnet 7-X Wendelstein menjadi lebih baik dari 1: 100.000" , yang diterbitkan 30 November 2016, Nature Communications, doi: 10.1038 / ncomms13493

Mengapa seorang stellarator memiliki bentuk yang aneh?

Teorema landak menyisir


Teorema combing landak menyatakan bahwa pada bola tidak mungkin untuk memilih arah garis singgung di setiap titik, yang didefinisikan pada semua titik bola dan terus tergantung pada titik. Berbicara secara informal, tidak mungkin untuk menyisir landak meringkuk dalam bola sehingga tidak ada satu jarum pun yang mencuat - maka disebutkan landak dalam judul teorema. Teorema adalah konsekuensi dari teorema titik tetap , dibuktikan pada tahun 1912 oleh Brauer.

Dari teorema tentang menyisir landak, ia mengikuti, antara lain, bahwa di permukaan planet selalu ada titik di mana kecepatan angin nol.

Mengetahui teorema combing landak, insinyur Jerman merancang bentuk khusus stellarator di mana vektor induksi magnetik "disisir" sehingga fusi nuklir (pembentukan helium dari hidrogen) berlanjut di sepanjang seluruh loop tertutup di tengah ruangan. Sudah cukup untuk menghidupkan mesin dan proses yang berkelanjutan dimulai dengan pelepasan energi.



Bentuk stellarator diturunkan tepatnya dari persamaan matematika dari teorema combing landak.

Konsep Stellarator 7-X Wendelstein

Bentuk stellarator disimulasikan pada komputer, semua vektor dihitung dan diverifikasi. Yang tersisa hanyalah pertanyaan: bisakah para insinyur menghidupkan teorinya - dan benar-benar mencurahkan stellarator logam dengan bentuk yang tidak biasa. Segera menjadi jelas bahwa proyek itu akan sangat mahal (sebagai akibatnya, pembangunan stellarator itu sendiri menelan biaya 370 juta euro, dan bersama-sama dengan bangunan, gaji dan pengeluaran lainnya - 1,08 miliar euro; Jerman mengambil alih 80% dari dana, Uni Eropa mengambil 20%) . Tetapi taruhannya tinggi: sumber energi dari fusi menjanjikan revolusi energi dunia. Oleh karena itu, para insinyur mulai bekerja.

Majelis Stellarator 7-X Wendelstein


Stellarator dirakit mulai April 2005 hingga April 2014. Selama sembilan tahun pembangunan, fasilitas ini menghabiskan 1,1 juta jam kerja. Kemudian mulailah persiapan teknis untuk percobaan. Setiap sistem teknis diuji: bejana vakum, sistem pendingin, kumparan superkonduktor dan medan magnetnya, sistem kontrol, serta alat pemanas dan alat ukur.


Merakit Wendelstein 7-X Stellarator, November 2011. Foto: IPP, Wolfgang Filser

Gulungan bintang 7-X Wendelstein terdiri dari 50 kumparan magnetik superkonduktor non-planar dan 20 planar. Mereka menghasilkan medan magnet di mana plasma hidrogen dipanaskan hingga 100 juta derajat Celcius. Kumparan menggunakan konduktor paduan niobium-titanium. Bahan ini masuk ke kondisi superkonduktor ketika suhu turun di bawah 9,2 ° K. Pendinginan magnet adalah standar dengan helium cair pada 70270 ° C. Karena kebutuhan akan pendinginan terus-menerus, kumparan dipasang di dalam cryostat yang memiliki cangkang dalam dan luar, diisolasi satu sama lain dengan vakum. Untuk mempelajari dan memanaskan plasma, 254 lubang di shell digunakan.

Secara teknis, Wendellstein 7-X stellarator terdiri dari lima modul yang hampir identik. Di masing-masing dari mereka ada cangkang plasma, isolasi termal, 10 kumparan non-planar superkonduktor, 4 kumparan planar yang terhubung, sistem tabung untuk helium cair, segmen untuk mendukung cincin pusat dan kulit luar.



Plasma dipanaskan dengan tiga metode: pemanasan microwave dengan daya generator 10 MW, pemanasan frekuensi radio 4 MW dan seberkas partikel netral 20 MW.

Ketika kelima modul dipasang di dasar stellarator, pekerjaan dimulai pada pengelasan mereka, menghubungkan sistem untuk pemanasan dan pemantauan plasma.



Perusahaan-perusahaan dari seluruh Eropa terlibat dalam pembangunan stellarator. Salah satu kontraktor utama adalah MAN Diesel & Turbo, yang juga terlibat dalam pembuatan segmen baja dari ruang plasma. Secara umum, ia memiliki diameter eksternal 12,9 m dan tinggi 2,4 m. Mereka harus menyelesaikan banyak masalah teknis. Misalnya, ruang baja plasma memiliki bentuk yang aneh dan harus dilemparkan dengan toleransi +/− 2 mm. Setiap ruang terdiri dari 200 cincin, dan setiap cincin terdiri dari beberapa strip baja 15-cm, khusus melengkung sesuai dengan geometri kompleks yang dihitung dalam program simulasi komputer sesuai dengan rumus-rumus teorema combing landak. Modul-modul tersebut diproduksi di pabrik MAN Diesel & Turbo di Dusseldorf.



Presisi dan persyaratan ilmiah spesifik yang sama diterapkan pada koil pendingin untuk koil.


Merakit isolasi termal dari kulit terluar

Penyelenggara percaya bahwa berpartisipasi dalam proyek ini memberikan pengalaman teknis yang tak ternilai bagi setiap perusahaan dan prestisius dalam dirinya sendiri. Misalnya, spesialis MAN Diesel & Turbo harus menguasai program desain 3D spesifik dan alat laser elektronik untuk mengevaluasi geometri. Sejak itu, alat-alat ini telah menjadi bagian dari proses produksi berkelanjutan perusahaan.

Sistem pemanas plasma diproduksi oleh Thales Electron Devices (Prancis), Element Six (Great Britain), Diamond Materials (Jerman) dan Reuter Technologie (Jerman).

Perangkat Electron Thales, bekerja sama erat dengan fisikawan Jerman, memproduksi perangkat pemanas plasma kunci - gyrotron.

Gyrotron adalah generator microwave vakum listrik, yang merupakan jenis resonansi maser cyclotron. Sumber radiasi gelombang mikro adalah berkas elektron yang berputar dalam medan magnet yang kuat. Radiasi dihasilkan pada frekuensi yang sama dengan siklotron dalam rongga dengan frekuensi kritis dekat dengan yang dihasilkan. Gyrotron ditemukan di Uni Soviet di NIRFI di kota Gorky (sekarang Nizhny Novgorod).


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

Plasma di dalam reaktor ditahan dalam medan magnet, tetapi semua sama, kontaknya dengan kulit dalam tidak dapat dihindari. Meskipun suhu plasma turun hingga 100.000 ° C, masih perlu untuk menutup bagian dalam ruang baja dengan bahan tahan panas yang secara bersamaan menghilangkan panas. Pembuatan divertor semacam itu ditangani oleh perusahaan Austria Plansee. Para insinyur menciptakan elemen-elemen struktural dari bahan-bahan baru: blok karbon yang diperkuat serat karbon (carbon-graphite composite), dan logam berpendingin air. Secara total, untuk stellarator, diperlukan untuk memproduksi 890 elemen divertor dari 18.000 blok. Bahan baru telah dipatenkan oleh penemu yang disebut EXTREMAT .


Pengalih transfer panas Plansee menyerap 10 MW per meter persegi secara terus menerus

Gulungan superkonduktor dari paduan niobium dan titanium dengan bentuk kompleks untuk stellarator diproduksi oleh Babcock Noell (Jerman).



Selama sepuluh tahun konstruksi, adalah mungkin untuk menyelesaikan semua masalah teknis dan menjalankan mega-desain stellarator.

Membuat stellarator di Institut Max Planck untuk Fisika Plasma

Sebuah peristiwa bersejarah terjadi pada 10 Desember 2015: stellarator eksperimental 7-X Wendelstein pertama kali diluncurkan di Institut Max Planck untuk Fisika Plasma (IPP) di Griswald .

Wendelstein 7-X: Plasma Pertama

Operator stellarator memberikan perintah untuk menghasilkan medan magnet dan meluncurkan sistem kontrol komputer untuk percobaan. Mereka memasukkan sekitar satu miligram helium ke kompartemen plasma, menyalakan pemanas gelombang mikro untuk pulsa 1,3-megawatt pendek - dan plasma pertama direkam oleh kamera yang terpasang dan alat ukur. Plasma pertama tetap stabil selama 0,1 detik dan mencapai suhu sekitar satu juta derajat Celcius.

Manajer proyek Profesor Thomas Klinger mengatakan bahwa rencana itu dimulai dengan helium karena lebih mudah untuk mendapatkan keadaan plasma. Pada 2016, percobaan dengan plasma hidrogen dimulai.

Pengukuran medan magnet


Pemanasan plasma hingga sejuta derajat atau lebih adalah baik, tetapi pertanyaan utama tetap terbuka apakah para ilmuwan benar-benar berhasil mengumpulkan stellarator dengan bentuk yang benar, sesuai dengan teorema tentang menyisir landak. Apakah hasilnya konsisten dengan model matematika? Ini adalah pertanyaan yang paling penting, karena tidak ada yang pernah mengumpulkan reaktor fusi seperti itu sebelumnya. Apakah benar-benar akan ada fusi dengan parameter yang diberikan?

30 November 2016 kami menerima jawaban untuk pertanyaan ini. Pada hari ini, jurnal Nature Communications menerbitkan artikel ilmiah "Konfirmasi topologi medan magnet 7-X Wendelstein menjadi lebih baik dari 1: 100.000"(akses terbuka). Ini menyajikan hasil pengukuran medan magnet di dalam ruang toroidal, yang mengkonfirmasi kinerja aktual dari stellarator Wendelstein 7-X sesuai dengan parameter yang dihitung. Pengukuran dilakukan sebelum plasma dipanaskan, tetapi mereka menunjukkan bahwa para insinyur di lokasi konstruksi benar-benar berhasil merakit mega-desain yang sepenuhnya sesuai dengan parameter yang dihitung. Topologi magnetik dari mesin ini dibuat oleh para insinyur Jerman dengan akurasi yang diperlukan.


Visualisasi medan magnet di stellarator menggunakan gas netral (campuran uap air dan nitrogen). Tiga titik terang - kalibrator untuk kamera


Poincare bagian dari sirkuit magnetik tertutup. Sinar elektron melewatinya lebih dari 40 kali, yaitu lebih dari 1 km


Sedikit pergeseran medan magnet akibat deformasi magnet superkonduktor.

Jadi, bintang besar terbesar di dunia benar-benar berfungsi.

Source: https://habr.com/ru/post/id399993/

More articles:


All Articles