Стеларатор

Стеларатор (від лат. stella — зоря) — замкнута магнітна пастка для утримання високотемпературної плазми. Стеларатор є одним із типів термоядерних реакторів для здійснення процесу керованого термоядерного синтезу.

Стеларатор експерименту «Wendelstein-IIa»

Історія
Стеларатор-торсатрон «Ураган» в ХФТІ
(80-ті рр. 20 ст.)

Стеларатор винайшов американець Лайман Спітцер у 1951 році в цілях вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу. Такі установки можуть складати конкуренцію установкам типу «токамак».

Перші дослідження на стелараторах розпочались ще у 1950-х роках в США. Але ці роботи не увінчались успіхом: на всіх установках спостерігалась підвищена дифузія Бома в плазмі. Причини невдач — відносно низькі значення полоїдальних магнітних полів і відсутність контролю за якістю магнітних поверхонь. Успіхи в СРСР на установках типу токамак призвели до закриття американської стелараторної програми і зосередженню зусиль на дослідження на токамаках.

У 1960-х рр. дослідження в галузі стелараторів перемістилися в СРСР, а згодом і у ФРН, Велику Британію та Японію. Перших успіхів було досягнуто в Харківському фізико-технічному інституті Академії наук СРСР та у Фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва АН СРСР.

У 1960 році Ігор Васильович Курчатов запропонував створити реактор на базі пастки із замкнутою магнітною системою стелараторного типу. Параметри стеларатора «Україна», що закладалися, і сьогодні вражають: діаметр перерізу тороїдальної камери — 1 метр, напруженість магнітного поля — до 70 кгс. Раптова смерть Курчатова в грудні 1960 року призвела до того, що початково задуманий проект трансформувався зрештою в серію установок «Ураган» зі значно скромнішими параметрами. Перша із них була споруджена лише в 1967 році. Було розроблено серію стелараторів, починаючи з установок «Сіріус», «Ураган-1», «Ураган-2» і пізніше «Ураган-2М».

Подальші дослідження стеларатора привели до створення його модифікації — торсатрона, що має дивертор — систему для очищування плазми від домішок і виведення продуктів реакції (гелію). Етапною подією в розвитку стелараторів стало спорудження в 1970 році уперше у світі стелларатора-торсатрона «Сатурн» (Відділення плазми ХФТІ) з принципово новою магнітною системою, запропонованою співробітником інституту В.Ф.Алєксіним. Сукупність властивостей торсатрона дозволяє розглядати його як можливу основу стаціонарного тороїдального термоядерного реактора.

Пізніше був побудований у той час найбільший і оригінальний торсатрон Ураган-3М — його магнітна система була поміщена у вакуумну камеру.

Системи, подібні до торсатрона, в Японії дістали назву геліотрон. Сьогодні в Японії працює побудований за цією схемою найбільший у світі стелларатор-торсатрон LHD, на якому отримані результати, що поставили його в один ряд з найбільшими токамаками.

Принцип роботи

На відміну від токамака, в стелараторі гвинтове прокручування силових ліній магнітного поля, необхідне для утримання плазми в торі, здійснюється не за рахунок протікання електричного струму по плазмовому шнуру, а за допомогою струму в системі зовнішніх обмоток двох типів. Внаслідок цього плазма може утримуватись в стаціонарному стані, що має важливе значення для забезпечення роботи термоядерного реактора.

Магнітне поле в стелараторі створюється за допомогою зовнішніх провідників. Його силові лінії піддаються так званому обертальному перетворенню, в результаті якого ці лінії багато разів обходять уздовж тора і утворюють систему замкнутих вкладених одну в одну тороїдальних магнітних поверхонь.

Обертальне перетворення силових ліній може бути здійснене як шляхом геометричної деформації тороїдального соленоїда (наприклад, скручуванням його у «вісімку»), так і за допомогою гвинтових провідників, навитих на тор.

Установки типу «стеларатор» у світі

Діючі стеларатори
СтелараторКраїнаМістоУстановаЗапуск
Ураган-3М (У-3М)УкраїнаХарківНаціональний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут»1981[1]
Ливень-2М (Л-2М)РосіяМоскваІнститут загальної фізики ім. А.М.Прохорова РАН1972[2]; 1995[3]
WEGAНімеччинаГрайфсвальдІнститут фізики Макса Планка (IPP)2001
Helically Symmetric eXperiment (HSX)СШАМедісонУніверситет Вісконсин-Медісон
Compact Auburn Torsatron (CAT)СШАОборн, ALОборнський університет1993
TJ-II Flexible HeliacІспаніяМадридCIEMAT1994[4]; 2008
H-1АвстраліяКанберраАвстралійський національний університет1992
Heliotron JЯпоніяКіотоКіотський університет1980[5]
Large Helical Device (LHD)ЯпоніяТокі, ГіфуНаціональний інститут термоядерних досліджень1998[6]
Wendelstein 7-X (W-7X)НімеччинаГрайфсвальдІнститут фізики Макса Планка (IPP)2016[7]

Стеларатори, що припинили роботу
СтелараторКраїнаМістоУстановаРоки роботи
Wendelstein 7-AS (W-7AS)НімеччинаҐархінґІнститут фізики Макса Планка (IPP)1988-2002
National Compact Stellarator Experiment (NCSX)СШАПринстонПринстонська лабораторія фізики плазми— [8]

Проекти майбутніх стелараторів

Примітки
  1. Запущено стеларатор «Ураган-3»
  2. Запущено стеларатор «Ливень-2»
  3. Запущено стеларатор «Ливень-2М»
  4. З 1994 по 1997 працював стеларатор «TJ-IU». В 1999 році його було передано в Німеччину в Кільський університет і він отримав назву TJ-K. Зараз TJ-K розташовано в Штутгартському університеті.
  5. До модернізації стеларатор називався «Heliotron-E».
  6. LHD parameters.
  7. Німецький термоядерний реактор Wendelstein 7-X встановив світовий рекорд
  8. Спорудження установки розпочалось в квітні 2003 року, але було припинене через брак коштів у 2008 році, так і не досягши фази завершення спорудження, яка намічалась на липень 2009 р.

Джерела

Посилання

Див. також


This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.