Стеларатор

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

Історія

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 60-х роках XX ст. дослідження в галузі стелараторів перемістилися в СРСР, а згодом і до ФРН, Великої Британії та Японії. 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 проєкт 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 — торсатрону, що має дивертор — систему для очищення плазми від домішок і виведення продуктів реакції (гелію). Етапною подією в розвитку стелараторів стало спорудження в 1970 році, вперше 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 , 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 Стеларатор Країна Місто Установа Запуск Ураган-3М (У-3М) Україна Харків Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» 1981Запущено стеларатор «Ураган-3» Ливень-2М (Л-2М) Росія Москва Інститут загальної фізики ім. А.М.Прохорова РАН 1972Запущено стеларатор «Ливень-2»; 1995Запущено стеларатор «Ливень-2М» WEGA Німеччина Грайфсвальд Інститут фізики Макса Планка (IPP) 2001 Helically Symmetric eXperiment (HSX) США Медісон Університет Вісконсин-Медісон Compact Auburn Torsatron (CAT) США Оборн, AL Оборнський університет 1993 TJ-II Flexible Heliac Іспанія Мадрид CIEMAT 1994З 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; 2008 H-1 Австралія Канберра Австралійський національний університет 1992 Heliotron J Японія Кіото Кіотський університет 1980До модернізації стеларатор називався «Heliotron-E». (LHD) Японія Токі, Гіфу Національний інститут термоядерних досліджень 1998 Wendelstein 7-X (W-7X) Німеччина Грайфсвальд Інститут фізики Макса Планка (IPP) 2016 MUSE США Принстон Принстонська лабораторія фізики плазми Міністерства енергетики США 2024У США побудували новий тип термоядерного реактора: безмежна енергія все ближче. // Автор: Андрій Кадук. 08.04.2024, 08:44.

Стеларатори, що припинили роботу Стеларатор Країна Місто Установа Роки роботи Wendelstein 7-AS (W-7AS) Німеччина Ґархінґ Інститут фізики Макса Планка (IPP) 1988-2002 National Compact Stellarator Experiment (NCSX) США Принстон Принстонська лабораторія фізики плазми — 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.

Проєкти майбутніх стелараторів Quasi-Poloidal Stellarator (QPS) — США, Університет Теннессі, Теннессі (знаходиться на стадії проєктування). Proxima Fusion — Німеччина, приватна компанія з Мюнхена, що виникла на базі Інституту фізики плазми імені Макса Планка, будує першу версію свого стеларатора. Демонстрація робочого прототипу планується у 2031 році.

Примітки

Джерела Поняття установки типу «стеларатор» на сайті Європейського Ядерного Товариства Стеларатор Stellarators. Carlos Alejaldre. Physics World, October 1996. ISSN 0953-8585 М.О.Азарєнков та ін. Володимир Тарасович Толок. Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Серія: фізична "Ядра, частинки, поля". ISSN 2221-7754

Посилання Офіційна вебсторінка Проєкту LHD Офіційна сторінка Стеларатора Wendelstein 7-AS Офіційна сторінка проєкту Wendelstein 7-X

Див. також Керований термоядерний синтез Токамак RACE