Megakonstruktsii。德国恒星Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X是世界上最大的恒星型聚变反应堆，可进行受控聚变。格赖斯瓦尔德的马克斯·普朗克等离子体物理研究所建立了一个奇异的实验装置，以测试这种装置作为热核电站的使用。根据一些预测，到2100年，地球上的能源消耗将增加大约6倍。一些专家认为，只有热核能才能满足人类不断增长的能源需求。

在这样的工厂中，每1克氢燃料（氘和tri）可产生90,000 kWh的能量，相当于燃烧11吨煤。

热核能

根据经济学家和未来学家的观点，人类迫切需要可靠而强大的能源。世界碳氢化合物储量有限。如果到2100年能源消耗增长六倍，则需要对能源系统进行改革和重组，并且越早越好。热核能似乎是解决该问题的好方法。

原子核由核子（质子和中子）组成，它们通过强相互作用而保持在一起。如果我们向轻核添加核子或从重原子中除去核子，则结合能的差异将被释放。质点运动的能量进入原子的热运动。因此，核能以加热的形式表现出来。原子核组成的变化称为核反应。核中核子数量减少的核反应称为核衰变或核裂变。核中核子数量增加的核反应称为热核反应或核聚变。


核聚变

受控热核聚变与传统核能的不同之处在于，传统核能利用衰变反应，在此过程中，重核获得了较轻的核。在轻核的合成中，合成了重核。与核链反应不同，核聚变是可控的。

20世纪中叶出现了世界范围内可控热核聚变的问题，随后出现了第一批可控热核聚变反应堆的概念，包括托卡马克和恒星形成器。

直到最近，科学家还没有能够克服技术难题来证明受控热核聚变确实可以在实践中使用，并且这种发电厂将具有成本效益。必须通过实验性反应堆ITER和Wendelstein 7-X证明这一事实。

恒星

Wendelstein 7-X

在聚变反应堆中，将燃料放置在磁场中并加热到约1亿摄氏度的温度，在此温度下发生稳定的核聚变受控反应。

恒星器 -一种用于实现受控热核聚变的反应堆。这个名字来自拉特。恒星是一颗恒星，应表明恒星器内和恒星内部发生的过程具有相似性。由美国天体物理学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）于1958年发明。作为秘密马特宏峰项目的一部分，第一个模型是在Spitzer的指导下于1959年建造的，该项目在解密后于1961年更名为普林斯顿大学等离子体物理实验室。

恒星器是一个封闭的磁阱，用于容纳高温等离子体。恒星器与托卡马克器之间的根本区别在于，用于将等离子体与环形腔室内壁隔离的磁场完全由外部线圈产生，这使它可以以连续模式使用。其力线经历旋转变换，结果，这些力线反复围绕圆环并形成相互嵌入的闭合环形磁表面系统。

恒星器在50年代和60年代很流行，但随后，科学界的注意力转移到了托卡马克上，这显示出了更令人鼓舞的结果。一切都在21世纪发生了变化。由于计算机技术和计算机图形程序的强大发展，磁性恒星系统得到了优化。结果，出现了一种全新的旋转变换配置，不是像之前的所有恒星设计一样，只有两个绕组，而是只有一个绕组。没错，这种绕组的形式非常狡猾。


Wendelstein 7-X恒星器在带有磁场线的计算机仿真程序中的拓扑。平面（扁平）绕组线圈标记为棕色，非平面线圈标记为灰色。渲染中缺少一些线圈，以显示恒星器的嵌套结构的结构（左）和这些结构的Poincare部分（右）。五个外部滤波器线圈中的四个以黄色显示，第五个应该在顶部。来源：科学论文“确认Wendelstein 7-X磁场的拓扑结构优于1：100,000”，2016年11月30日出版，《自然通讯》杂志，doi：10.1038 / ncomms13493

为什么一个恒星具有如此奇怪的形状？

刺猬梳理定理

刺猬梳理定理指出，在球体上不可能选择每个点的切线方向，切线方向在球体的所有点上都定义并且连续地取决于该点。非正式地讲，不可能将卷曲的刺猬梳成球状，以使没有一根针伸出，因此定理标题中提到了刺猬。该定理是不动点定理的结果，该定理由 Brauer于1912年证明。

从梳理刺猬的定理可以看出，除其他外，在行星表面上总有一个风速为零的点。

了解了刺猬的梳理定理后，德国工程师设计了一种特殊形式的恒星器，其中磁感应矢量被“合成”，以使核聚变（由氢形成氦）沿腔室中心的整个闭合环路继续进行。开启机器就足够了，连续的过程从释放能量开始。



恒星器的形式是从刺猬梳理定理的数学方程式中精确得出的。

Wendelstein 7-X恒星器概念

在计算机上模拟了恒星器的形状，计算并验证了所有矢量。剩下的就是问题：工程师能否将理论付诸实践-并倒出形状如此不寻常的金属恒星器。立刻就知道该项目将非常昂贵（结果，这颗恒星发生器的建造本身耗资3.7亿欧元，加上建筑，薪金和其他费用-10.8亿欧元；德国占了80％的资金，欧盟占了20％） 。但是风险很高：聚变产生的能量来源有望引发世界能源革命。因此，工程师着手工作。

Wendelstein 7-X恒星器总成

从2005年4月到2014年4月，组装了这颗星。在九年的建设中，该工厂的工作量为110万工时。然后开始了实验的技术准备。每个技术系统都经过测试：真空容器，冷却系统，超导线圈及其磁场，控制系统以及加热设备和测量仪器。


组装Wendelstein 7-X Stellarator，2011年11月。照片：IPP，沃尔夫冈·菲尔斯（Wolfgang Filser）

Wendelstein 7-X恒星线圈由50个非平面和20个平面超导磁线圈组成。它们产生磁场，其中氢等离子体被加热到1亿摄氏度。线圈使用铌钛合金导体。当温度降至9.2°K以下时，该材料进入超导状态。磁体冷却是在-270°C时使用液氦的标准配置。由于需要连续冷却，因此将线圈安装在具有内壳和外壳的低温恒温器内部，该低温恒温器通过真空彼此隔离。为了研究和加热等离子体，在外壳中使用了254个孔。

从技术上讲，Wendelstein 7-X恒星仪由五个几乎相同的模块组成。在它们的每一个中，都有一个等离子壳体，一个隔热层，10个超导非平面线圈，4个相连的平面线圈，一个用于液氦的管系统，一个支撑中心环的段和一个外壳。



通过三种方法加热等离子体：以10 MW的发电机功率进行微波加热，4 MW的射频加热和20 MW的中性粒子束。

当所有五个模块都安装在恒星发生器的基座上时，就开始了它们的焊接，连接系统以进行加热和等离子监控的工作。



欧洲各地的公司都参与了这种恒星仪的建造。 MAN Diesel＆Turbo是主要承包商之一，该公司还参与了等离子室钢制部件的制造。通常，它的外径为12.9 m，高度为2.4 m，他们不得不解决许多技术问题。例如，钢制等离子体室具有奇异的形状，并且必须以+/- 2 mm的公差铸造。每个小室由200个环组成，每个环由数个15厘米长的钢带组成，这些钢带根据刺猬梳理定理的公式在计算机模拟程序中计算出的复杂几何形状进行特殊弯曲。这些模块是在杜塞尔多夫的MAN Diesel＆Turbo工厂制造的。



对盘管的冷却盘管施加了相同的精度和特定的科学要求。


组装外壳的隔热材料

组织者认为，参与该项目为每个公司提供了宝贵的技术经验，并且本身就享有盛誉。例如，曼柴油机与透平公司的专家必须掌握特定的3D设计程序和用于评估几何形状的电子激光工具。从那时起，这些工具已成为公司正在进行的生产过程的一部分。

等离子加热系统由Thales电子设备公司（法国），元素六（英国），钻石材料公司（德国）和路透社技术公司（德国）制造。

泰雷兹电子设备公司与德国物理学家密切合作，正在制造关键的等离子加热设备-回旋管。

回旋加速器是一种电动真空微波发生器，是一种回旋共振谐振器。微波辐射源是在强磁场中旋转的电子束。以等于腔中回旋加速器的频率产生辐射，其临界频率接近所产生的临界频率。回旋管是苏联在高尔基市（现为下诺夫哥罗德）的NIRFI发明的。


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

反应器内部的等离子体保持在磁场中，但是同样，不能避免其与内壳的接触。尽管等离子温度下降到100,000°C，但仍然有必要用耐热材料覆盖钢制腔室内，同时将热量散发出去。此类分流器的制造由奥地利公司Plansee处理。工程师使用新材料创建了结构元素：碳纤维增强碳块（碳-石墨复合材料）和水冷金属。总共，对于这种恒星器，需要从18,000个块中制造890个偏滤器元件。这种新材料已经被发明人EXTREMAT申请了专利。


攀时传热分流器每平方米连续吸收10兆瓦

Babcock Noell（德国）制造了用于形变器的复杂形状的铌和钛合金的超导线圈。



经过十年的建设，有可能解决所有技术问题并将超大型设计器投入运行。

在马克斯·普朗克等离子体物理研究所创建一个恒星器

2015年12月10日，发生了一个历史性事件：Wendelstein 7-X实验恒星仪在格里斯瓦尔德的马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）首次发射。

Wendelstein 7-X：第一等离子

恒星发生器的操作员发出了产生磁场的命令，并启动了用于实验的计算机控制系统。他们将约1毫克的氦气注入等离子室，然后以短短的1.3兆瓦脉冲打开微波加热-第一个等离子由安装的照相机和测量仪器记录。第一等离子体保持稳定0.1秒，并达到约一百万摄氏度的温度。

项目经理托马斯·克林格（Thomas Klinger）教授说，该计划是从氦开始的，因为它更容易获得等离子体状态。2016年，开始进行氢等离子体实验。

磁场测量

将等离子体加热到一百万度或更高温度是很好的，但是主要问题仍然存在，科学家们是否真的按照组装刺猬的定理成功组装了形状正确的恒星器。结果是否与数学模型一致？这是最重要的问题，因为以前没有人组装过这样的聚变反应堆。确实会与给定参数融合吗？

2016年11月30日，我们收到了此问题的答案。在这一天，《自然通讯》杂志发表了科学文章“确认Wendelstein 7-X磁场的拓扑优于1：100,000”（开放访问）。它显示了环形室内磁场的测量结果，这些结果根据所计算的参数确认了Wendelstein 7-X恒星仪的实际性能。这些测量是在等离子加热之前进行的，但它们表明，建筑工地的工程师确实设法组装了一个完全符合所计算参数的大型设计。机器的磁拓扑由德国工程师以所需的精度制成。


使用中性气体（水蒸气和氮气的混合物）可视化恒星仪中的磁场。三个亮点-照相机的校准器


闭合磁路的Poincare部分。电子束通过它的次数超过40次，即超过1公里


由于超导磁体的变形，磁场会发生轻微变化，

因此，世界上最大的恒星器确实可以工作。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN399993/