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Megakonstruktsii. Stellarator alemão Wendelstein 7-X



O Wendelstein 7-X é o maior reator de fusão do mundo, do tipo stellarator , que realiza fusão controlada. Uma configuração experimental bizarra foi construída no Instituto Max Planck de Física de Plasma em Greiswald para testar o uso desse tipo de dispositivo como uma usina termonuclear. Segundo algumas previsões, até 2100, o consumo de energia na Terra aumentará cerca de 6 vezes. Alguns especialistas acreditam que apenas a energia termonuclear pode satisfazer as crescentes necessidades energéticas da humanidade.

1 grama de combustível de hidrogênio (deutério e trítio) em uma usina produz 90.000 kWh de energia, o que equivale a queimar 11 toneladas de carvão.

Energia termonuclear


Segundo economistas e futurologistas, a humanidade precisa urgentemente de uma fonte confiável e poderosa de energia. As reservas mundiais de hidrocarbonetos são limitadas. Se o consumo de energia crescer seis vezes até 2100, o sistema de energia precisará ser reformado e reestruturado, e quanto mais cedo melhor. A energia termonuclear parece ser uma boa solução para o problema.

Núcleos atômicos consistem em núcleons (prótons e nêutrons), que são mantidos juntos por forte interação. Se adicionarmos nucleons a núcleos leves ou removermos nucleons de átomos pesados, então a diferença na energia de ligação será liberada. A energia do movimento das partículas entra no movimento térmico dos átomos. Assim, a energia nuclear se manifesta na forma de aquecimento. Uma mudança na composição do núcleo é chamada de reação nuclear. Uma reação nuclear com uma diminuição no número de núcleons em um núcleo é chamada decaimento nuclear ou fissão nuclear. Uma reação nuclear com um aumento no número de núcleons no núcleo é chamada de reação termonuclear ou fusão nuclear.


Fusão nuclear

A fusão termonuclear controlada difere da energia nuclear tradicional, pois esta utiliza uma reação de decaimento, durante a qual núcleos mais leves são obtidos de núcleos pesados. Na síntese de núcleos leves, os pesados ​​são sintetizados. Ao contrário de uma reação em cadeia nuclear, a fusão nuclear é controlável.

A questão da fusão termonuclear controlada em nível mundial surgiu em meados do século XX, e surgiram os conceitos dos primeiros reatores para fusão termonuclear controlada, incluindo tokamaks e stellarators.

Até recentemente, os cientistas não conseguiam superar os problemas tecnológicos para provar que a fusão termonuclear controlada pode realmente ser usada na prática e que essas usinas de energia serão rentáveis. Esse fato deve ser comprovado pelos reatores experimentais ITER e Wendelstein 7-X.

Stellarators



Wendelstein 7-X

Em um reator de fusão, o combustível é colocado dentro de um campo magnético e aquecido a uma temperatura de cerca de 100 milhões de graus Celsius, na qual ocorre uma reação controlada estável da fusão nuclear.

Stellarator - um tipo de reator para a implementação da fusão termonuclear controlada. O nome vem de lat. stella é uma estrela, o que deve indicar uma similaridade dos processos que ocorrem no stellarator e dentro das estrelas. Inventado pelo astrofísico americano Lyman Spitzer em 1958. O primeiro modelo foi construído sob a direção de Spitzer em 1959, como parte do projeto secreto Matterhorn, que em 1961, após a desclassificação, foi renomeado para Laboratório de Física de Plasma na Universidade de Princeton .

O stellarator é uma armadilha magnética fechada para armazenar plasma de alta temperatura. A diferença fundamental entre um stellarator e um tokamak é que o campo magnético para isolar o plasma das paredes internas da câmara toroidal é completamente criado por bobinas externas, o que, entre outras coisas, permite que ele seja usado em modo contínuo. Suas linhas de força passam por uma transformação rotacional, como resultado dessas linhas repetidamente contornam o toro e formam um sistema de superfícies magnéticas toroidais fechadas embutidas umas nas outras.

Os stellarators eram populares nos anos 50 e 60, mas então a atenção da comunidade científica mudou para os tokamaks, que mostraram resultados mais encorajadores. Tudo mudou no século XXI. Devido ao poderoso desenvolvimento da tecnologia e programas de computação gráfica, o sistema de stellarator magnético foi otimizado. Como resultado, apareceu uma configuração completamente nova da transformação rotacional, não com dois enrolamentos, como em todos os projetos anteriores do stellarator, mas com apenas um enrolamento . É verdade que esse enrolamento é muito astuto.


A topologia do stellarator Wendelstein 7-X em um programa de simulação em computador com linhas de campo magnético. As bobinas de enrolamento planas (planas) são marcadas em marrom, as bobinas não planas são indicadas em cinza. Algumas bobinas estão ausentes na renderização para mostrar a estrutura das estruturas aninhadas do stellarator (à esquerda) e as seções de Poincare para essas estruturas (à direita). Quatro das cinco bobinas de filtro externas são mostradas em amarelo, a quinta deve estar no topo. Fonte: Artigo científico "Confirmação da topologia do campo magnético Wendelstein 7-X para melhor que 1: 100.000" , publicado em 30 de novembro de 2016, Nature Communications, doi: 10.1038 / ncomms13493

Por que um stellarator teria uma forma tão bizarra?

Teorema de pentear ouriço


O teorema de pentear ouriço afirma que em uma esfera é impossível escolher a direção tangente em cada ponto, que é definido em todos os pontos da esfera e depende continuamente do ponto. Informalmente, é impossível pentear um ouriço enrolado em uma bola para que nem uma única agulha se destaque - daí a menção do ouriço no título do teorema. O teorema é uma conseqüência do teorema do ponto fixo , provado em 1912 por Brauer.

A partir do teorema de pentear o ouriço, segue-se, entre outras coisas, que na superfície do planeta sempre existe um ponto em que a velocidade do vento é zero.

Conhecendo o teorema do pentear ouriço, os engenheiros alemães projetaram uma forma específica de estelar, na qual os vetores de indução magnética são “penteados” para que a fusão nuclear (a formação de hélio a partir de hidrogênio) continue ao longo de todo o circuito fechado no centro da câmara. Basta ligar a máquina e um processo contínuo começa com a liberação de energia.



A forma do stellarator é derivada precisamente das equações matemáticas do teorema de pentear o ouriço.

Wendelstein 7-X Stellarator Concept

A forma do stellarator foi simulada em um computador, todos os vetores são calculados e verificados. Tudo o que restava era a questão: os engenheiros poderiam dar vida à teoria - e realmente despejar um stellarator de metal com uma forma tão incomum. Imediatamente ficou claro que o projeto seria muito caro (como resultado, a própria construção do stellarator custou 370 milhões de euros e, juntamente com a construção, salários e outras despesas - 1,08 bilhão de euros; a Alemanha assumiu 80% do financiamento, a União Europeia levou 20%) . Mas os riscos são altos: a fonte de energia da fusão promete uma revolução na energia mundial. Portanto, os engenheiros começaram a trabalhar.

Conjunto do Stellarator Wendelstein 7-X


O stellarator foi montado de abril de 2005 a abril de 2014. Nos nove anos de construção, a instalação levou 1,1 milhão de horas-homem de trabalho. Então começou a preparação técnica para o experimento. Cada sistema técnico foi testado: recipientes a vácuo, sistema de refrigeração, bobinas supercondutoras e seu campo magnético, sistema de controle, bem como dispositivos de aquecimento e instrumentos de medição.


Montagem do Stellarator Wendelstein 7-X, novembro de 2011. Foto: IPP, Wolfgang Filser

O enrolamento do stellarator 7-X da Wendelstein consiste em 50 bobinas magnéticas supercondutoras não planares e 20 planares. Eles geram um campo magnético no qual o plasma de hidrogênio é aquecido a 100 milhões de graus Celsius. As bobinas usam condutores de liga de nióbio e titânio. Este material entra em um estado supercondutor quando a temperatura cai abaixo de 9,2 ° K. O resfriamento por ímã é padrão com hélio líquido a -270 ° C. Devido à necessidade de resfriamento contínuo, as bobinas são instaladas dentro de um criostato com um invólucro interno e externo, isolados um do outro por vácuo. Para estudar e aquecer o plasma, são utilizados 254 orifícios na carcaça.

Tecnicamente, o stellarator Wendelstein 7-X consiste em cinco módulos quase idênticos. Em cada um deles existe uma carcaça de plasma, isolamento térmico, 10 bobinas não planas supercondutoras, 4 bobinas planares conectadas, um sistema de tubos para hélio líquido, um segmento para apoiar o anel central e uma carcaça externa.



O plasma é aquecido por três métodos: aquecimento por microondas com uma potência de gerador de 10 MW, aquecimento por radiofrequência de 4 MW e um feixe de partículas neutras de 20 MW.

Quando todos os cinco módulos foram instalados na base do stellarator, começaram os trabalhos de soldagem, conectando sistemas para monitoramento de aquecimento e plasma.



Empresas de toda a Europa estiveram envolvidas na construção do stellarator. Um dos principais contratados foi a MAN Diesel & Turbo, que também estava envolvida na fabricação de segmentos de aço da câmara de plasma. De um modo geral, possui um diâmetro externo de 12,9 me uma altura de 2,4 M. Eles tiveram que resolver muitos problemas técnicos. Por exemplo, as câmaras de plasma de aço têm uma forma bizarra e devem ser fundidas com uma tolerância de +/− 2 mm. Cada câmara consiste em 200 anéis e cada anel consiste em várias tiras de aço de 15 cm, especialmente curvas de acordo com a geometria complexa calculada no programa de simulação por computador, de acordo com as fórmulas do teorema de pentear o ouriço. Os módulos foram fabricados na fábrica da MAN Diesel & Turbo em Dusseldorf.



A mesma precisão e requisitos científicos específicos foram impostos às serpentinas de resfriamento.


Montagem do isolamento térmico da carcaça externa Os

organizadores acreditam que a participação no projeto proporcionou a cada empresa uma experiência técnica inestimável e foi prestigiada por si mesma. Por exemplo, os especialistas da MAN Diesel & Turbo tiveram que dominar programas específicos de design 3D e ferramentas eletrônicas a laser para avaliar a geometria. Desde então, essas ferramentas passaram a fazer parte do processo de produção em andamento da empresa.

O sistema de aquecimento por plasma foi fabricado pela Thales Electron Devices (França), Element Six (Grã-Bretanha), Diamond Materials (Alemanha) e Reuter Technologie (Alemanha).

A Thales Electron Devices, em estreita colaboração com físicos alemães, estava fabricando os principais dispositivos de aquecimento de plasma - girotrons.

O Gyrotron é um gerador de micro-ondas a vácuo elétrico, que é um tipo de maser de ressonância de ciclotron. A fonte de radiação de microondas é um feixe de elétrons girando em um forte campo magnético. A radiação é gerada em uma frequência igual ao ciclotrão na cavidade, com uma frequência crítica próxima à gerada. O girotron foi inventado na URSS no NIRFI na cidade de Gorky (hoje Nizhny Novgorod).


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

O plasma dentro do reator é mantido em um campo magnético, mas, mesmo assim, seu contato com a carcaça interna não pode ser evitado. Embora a temperatura do plasma caia para apenas 100.000 ° C, ainda é necessário cobrir o interior da câmara de aço com um material resistente ao calor que remova o calor simultaneamente. A fabricação desses desvios foi realizada pela empresa austríaca Plansee. Os engenheiros criaram elementos estruturais a partir de novos materiais: blocos de carbono reforçados com fibra de carbono (composto de carbono-grafite) e metal resfriado a água. No total, para o stellarator, foi necessário fabricar 890 elementos de desvio de 18.000 blocos. O novo material já foi patenteado pelos inventores chamados EXTREMAT .


O desviador de transferência de calor Plansee absorve 10 MW por metro quadrado continuamente

As bobinas supercondutoras de uma liga de nióbio e titânio de forma complexa para o stellarator foram fabricadas por Babcock Noell (Alemanha).



Durante dez anos de construção, foi possível resolver todos os problemas técnicos e colocar em operação o megaprojeto do stellarator.

Criando um stellarator no Instituto Max Planck de Física de Plasmas

Um evento histórico ocorreu em 10 de dezembro de 2015: o stellarator experimental Wendelstein 7-X foi lançado pela primeira vez no Instituto Max Planck de Física de Plasmas (IPP) em Griswald .

Wendelstein 7-X: Primeiro Plasma

Os operadores do stellarator deram um comando para gerar um campo magnético e lançaram um sistema de controle por computador para o experimento. Eles alimentaram cerca de um miligrama de hélio no compartimento do plasma, ligaram o aquecimento de microondas por um curto pulso de 1,3 megawatt - e o primeiro plasma foi gravado por câmeras e instrumentos de medição instalados. O primeiro plasma permaneceu estável por 0,1 segundos e atingiu uma temperatura de cerca de um milhão de graus Celsius.

O professor Thomas Klinger, gerente de projetos, disse que o plano era começar com hélio porque é mais fácil obter um estado de plasma. Em 2016, começaram as experiências com plasma de hidrogênio.

Medição de campo magnético


Aquecer o plasma a um milhão de graus ou mais é bom, mas a principal questão permanece em aberto: se os cientistas realmente conseguiram montar o stellarator com a forma correta, de acordo com o teorema do pentear o ouriço? O resultado é consistente com o modelo matemático? Essa é a pergunta mais importante, porque ninguém jamais montou um reator de fusão desse tipo antes. Realmente haverá fusão com os parâmetros fornecidos?

Em 30 de novembro de 2016, recebemos uma resposta para esta pergunta. Nesse dia, a revista Nature Communications publicou o artigo científico "Confirmação da topologia do campo magnético Wendelstein 7-X para melhor que 1: 100.000"(acesso aberto). Apresenta os resultados das medições do campo magnético no interior da câmara toroidal, que confirmam o desempenho real do stellarator Wendelstein 7-X de acordo com os parâmetros calculados. As medições foram feitas antes do aquecimento do plasma, mas mostram que os engenheiros do canteiro de obras realmente conseguiram montar um megaprojeto que correspondesse totalmente aos parâmetros calculados. A topologia magnética da máquina é feita por engenheiros alemães com a precisão necessária.


Visualização do campo magnético no stellarator usando gás neutro (uma mistura de vapor d'água e nitrogênio). Três pontos brilhantes - calibradores para a câmera -


seção de Poincare de um circuito magnético fechado. O feixe de elétrons passou por ele mais de 40 vezes, ou seja, mais de 1 km


Uma ligeira mudança no campo magnético devido à deformação de ímãs supercondutores.

Portanto, o maior stellarator do mundo realmente funciona.

Source: https://habr.com/ru/post/pt399993/

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