Вендельштейн 7-АС - Wendelstein 7-AS

Вендельштейн 7-АС
Эксперимент Гархинга Вендельштейн 7-AS.jpg
Wendelstein 7-AS в Гархинге. Стелларатор - сзади справа - почти закрыт диагностическими и обогревательными элементами.
Тип устройстваСтелларатор
Место расположенияГархинг, Германия
ПринадлежностьИнститут физики плазмы им. Макса Планка
Технические характеристики
Большой радиус2 м (6 футов 7 дюймов)
Малый радиус0,13–0,18 м (5,1–7,1 дюйма)
Объем плазмыок. 1 м3
Магнитное поледо 2,6 т (26000 г)
Мощность нагрева5.3 МВт
Продолжительность разрядавплоть до 2 s
История
Год (ы) эксплуатации1988 – 2002
ПреемникВендельштейн 7-X

Вендельштейн 7-АС (сокращенно W7-AS, для "Advanced Stellarator") был экспериментальным стелларатор который эксплуатировался с 1988 по 2002 гг. Институт физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в Гархинг.[1][2] Это был первый из нового класса передовых стеллараторов с модульными катушками, разработанный с целью разработки ядерный термоядерный реактор для выработки электроэнергии. Эксперимент завершился Вендельштейн 7-X, строительство которого началось в Грайфсвальд в 2002 году, был завершен в 2014 году и запущен в эксплуатацию в декабре 2015 года. В отличие от своего предшественника, цель эксперимента Wendelstein 7-X - изучить пригодность компонентов, разработанных для будущего термоядерного реактора.[3]

Экспериментальная конструкция

Вид сверху на систему магнитных катушек Wendelstein 7-AS. Положение плазмы в нем показано красным цветом. Поперечное сечение плазмы меняется пять раз вдоль кольца, каждый раз от вертикально-эллиптической формы (внизу слева) до более каплевидной (внизу справа) и обратно.
Одна из характеристик оптимизированных неплоских катушек, представленных в Немецкий музей.

Wendelstein 7-AS был стелларатор, устройство, которое генерирует магнитные поля необходимо для удержания горячего водород плазма через токопроводящие катушки вне плазмы. Они потенциальные кандидаты на термоядерные реакторы разработан для непрерывной работы, поскольку ток течет исключительно снаружи машины, в отличие от токамак который порождает ограничивающий магнитные поля от тока, протекающего внутри самой плазмы.

Wendelstein 7-AS стал первым в серии экспериментов со стелларатором IPP[4] с модульный система катушек, которая создает закрученные магнитные поля, необходимые для удержания плазмы. Он был разработан, чтобы придать магнитным полям больше степени свободы что позволило приблизить его к оптимальной теоретической конфигурации.[5] Из-за ограниченного вычислительная мощность и необходимость быстрой проверки справедливости концепции на стеллараторе, только частичное оптимизация магнитных полей проводились на Wendelstein 7-AS.[требуется проверка ] Только на последующем устройстве Wendelstein 7-X была проведена полная оптимизация кода, используемого для генерации полей.[6][7]

Технические характеристики

Технические характеристики Wendelstein 7-AS[2]
СвойствоЦенить
Большой радиус2 мес.
Малый радиусОт 0,13 до 0,18 м
Магнитное поледо 2,6 тесла (≈ 500000 раз больше магнитного поля Земли в Европе)
Количество тороидальных катушек45 модульных неплоских катушек + 10 дополнительных плоских катушек
Продолжительность плазмыдо 2 секунд
Плазменный нагрев5,3 мегаватт (2,6 МВт микроволны + 2,8 МВт инжекция нейтральных частиц)
Объем плазмы≈ 1 кубический метр
Количество плазмы<1 миллиграмм
Электронная температурадо 78 миллионов K = 6,8 кэВ
Ионная температура (водород)до 20 млн К = 1,7 кэВ (чуть больше температуры в центре Солнца)

Результаты проекта

Взгляд через вакуумное окно в тороидальном направлении и вдоль плазмы в W7-AS. «Холодный» край плазмы кажется ярким, показывая выпуклые островные структуры в центре изображения, которые прижимаются к графитовой плитке стены (левая сторона). Излученное тепло, излучаемое в горячем центре плазменной трубки (правая сторона, примерно 30 см в диаметре), находится вблизи рентгеновский снимок спектр и невидим для камеры; поэтому плазма кажется диффузной и прозрачной.

Следующие экспериментальные результаты подтвердили предсказания частично оптимизированного Wendelstein 7-AS и привели к разработке и созданию Wendelstein 7-X:[8]

  • Магнитное поле могло захватывать частицы плазмы (в основном водород ионы и электроны ) с более высокими тепловыми энергиями, чем его предшественники. Это улучшение позволило достичь температуры, в восемь раз превышающей внутреннюю температуру Солнца (внутри плазменного кольца для электронов) и немного больше (внутренняя температура Солнца) для ионов водорода.
  • Кроме того, было показано, что частично оптимизированный стелларатор ведет себя необычайно «добродушно» в отношении плазменные неустойчивости, что имеет большое значение для непрерывной работы будущего реактора. Неустойчивость может привести к временному охлаждению или потере горячих частиц плазмы и, таким образом, к снижению давления и температуры плазмы внутри сосуда.
  • Так называемый островной дивертор успешно эксплуатировался на Wendelstein 7-AS - впервые на стеллараторе; это удаляет загрязняющие вещества из плазмы, которая дополнительно охлаждала бы горячую плазму внутри. Для этого силовые линии магнитного поля на краю плазмы были деформированы таким образом, чтобы многозарядные ионы горячей плазмы ударяли по целевым перегородкам и распределяли свою энергию с минимальными затратами, что позволяло избежать локального перегрева.[9][10]
  • Wendelstein 7-AS был первым стелларатором, получившим доступ к H-режим (H означает «строгое удержание»), который ранее был доступен только для токамаков. Это позволяет легко достичь условий зажигания термоядерного реактора, поскольку плазма может образовывать изолирующий слой толщиной в несколько сантиметров от края устройства, что позволяет поддерживать более высокие температуры внутри.

Рекомендации

  1. ^ Реннер, H; Anabitarte, E; Ascasibar, E; Бесшоу, S; Brakel, R; Burhenn, R; Cattanei, G; Додхи, А; Дорст, Д; Эльснер, А; Энгельгардт, К. (1989). «Пуск в эксплуатацию усовершенствованного стелларатора Wendelstein 7AS». Физика плазмы и управляемый синтез. 31 (10): 1579–1596. Bibcode:1989PPCF ... 31.1579R. Дои:10.1088/0741-3335/31/10/008. ISSN  0741-3335.
  2. ^ а б Хирш, М; Baldzuhn, J; Бейдлер, К; Brakel, R; Burhenn, R; Динклэйдж, А; Ehmler, H; Эндлер, М; Erckmann, V; Feng, Y; Гейгер, Дж (2008). «Основные результаты работы стелларатора Wendelstein 7-AS». Физика плазмы и управляемый синтез. 50 (5): 053001. Дои:10.1088/0741-3335/50/5/053001. ISSN  0741-3335.
  3. ^ Клери, Дэниел (2015-10-21). «Причудливый реактор, который может спасти ядерный синтез». Наука | AAAS. Получено 2020-06-16.
  4. ^ Grieger, G .; Renner, H .; Вобиг, Х. (1985). «Стеллараторы Вендельштейна». Термоядерная реакция. 25 (9): 1231–1242. Дои:10.1088/0029-5515/25/9/040. ISSN  0029-5515.
  5. ^ Чу, Т.К .; Furth, H.P .; Johnson, J.L .; Ludescher, C .; Веймер, К. (1982). «Методы оптимизации модульных катушек стеллараторов». Термоядерная реакция. 22 (7): 871–881. Дои:10.1088/0029-5515/22/7/001. ISSN  0029-5515.
  6. ^ Реннер, Х. (1988). «Экспериментальная программа W VII-AS и прогнозы на W VII-X». Материалы семинара по Вендельштейну VII-X. 20 (18) - через Международную систему ядерной информации.
  7. ^ Wanner, M .; команда W7-X (2000). «Цели дизайна и статус проекта WENDELSTEIN 7-X». Физика плазмы и управляемый синтез. 42 (11): 1179–1186. Bibcode:2000PPCF ... 42,1179 Вт. Дои:10.1088/0741-3335/42/11/304. ISSN  0741-3335.
  8. ^ Вагнер, Ф .; Bäumel, S .; Baldzuhn, J .; Basse, N .; Brakel, R .; Burhenn, R .; Dinklage, A .; Dorst, D .; Ehmler, H .; Endler, M .; Эркманн, В. (2005). «W7-AS: Один шаг в линейке стеллараторов Wendelstein». Физика плазмы. 12 (7): 072509. Bibcode:2005PhPl ... 12g2509W. Дои:10.1063/1.1927100. ISSN  1070-664X.
  9. ^ Jaenicke, R; Baldzuhn, J; Erckmann, V; Гейгер, Дж; Григул, П; Hofmann, JV; Удар, М; Кисслингер, Дж; Kuhner, G; Maassberg, H; Нидермейер, H (1995). «Эксперименты по нагреву большой мощности на стеллараторе WENDELSTEIN 7-AS». Физика плазмы и управляемый синтез. 37 (11A): A163 – A176. Bibcode:1995PPCF ... 37A.163J. Дои:10.1088 / 0741-3335 / 37 / 11a / 010. ISSN  0741-3335.
  10. ^ McCormick, K .; Grigull, P .; Burhenn, R .; Brakel, R .; Ehmler, H .; Feng, Y .; Fischer, R .; Gadelmeier, F .; Giannone, L .; Hildebrandt, D .; Хирш, М. (2003). «Островные диверторные эксперименты на стеллараторе Wendelstein 7-AS». Журнал ядерных материалов. Взаимодействие плазмы с поверхностью в устройствах управляемого термоядерного синтеза 15. 313-316: 1131–1140. Bibcode:2003JNuM..313.1131M. Дои:10.1016 / S0022-3115 (02) 01506-4. ISSN  0022-3115.

внешняя ссылка