Гигантский стелларатор W7-X в Германии, способный совершить революцию в термоядерном синтезе

Более 60 лет ученые мечтают о создании чистого и неиссякаемого источника энергии, получаемой в результате термоядерного синтеза.

Пока эти мечты остаются мечтами. Но благодаря усилиям ученых немецкого Института физики плазмы им. Макса Планка у экспертов появилась надежда, что, возможно, скоро все изменится.

Ведь в прошлом году институт завершил сооружение крупнейшего в мире термоядерного реактора типа стелларатор. На его строительство понадобилось более 1,1 млн. человеко-часов.

Установка диаметром 16 метров называется Wendelstein 7-X (W7-X).

И вот теперь, после испытаний, длившихся более года, инженеры готовы запустить машину стоимостью 1,1 млрд. долларов в первый раз.

Темная лошадка термоядерных реакторов

Известные как «темная лошадка» среди термоядерных реакторов, стеллараторы трудно построить. Вот как сооружались различные слои W7-X в течение 19 лет.

Гигантский термоядерный стелларатор W7-X в Германии, который может революционизировать способы генерации энергии

С 2003 по 2007 год на проект обрушился ряд крупных строительных неудач, что едва не привело к его полной остановке. А ведь попытки построить стеллараторы в мире довольно редки и ещё меньше из них были доведены до конца.

В то же время более популярный двоюродный брат стелларатора под названием токамак используется более широко, ведь его сооружение гораздо легче. Три десятка токамаков находятся в рабочем состоянии по всему миру, а всего их было построено около 200 экземпляров.

Как работает термоядерный реактор
Гигантский термоядерный стелларатор W7-X в Германии, который может революционизировать способы генерации энергии
Токамак. Обратите внимание, у него меньше слоев, чем у стелларатора, при этом форма магнитных катушек также отличается.

Ключевым требованием к успешному реактору термоядерного синтеза любого типа является возможность получения и контроля плазмы, разогретой до температуры свыше 100 млн. °C.

В этих экстремальных условиях электроны вырываются из атомов, в результате чего образуются ионы, при этом силы отталкивания, которые обычно заставляют ионы отскакивать друг от друга, как машинки, будут преодолены.

Поэтому ионы сталкиваются и сливаются между собой, генерируя при этом энергию. Это и называется термоядерным синтезом. Подобный процесс уже более 4,5 млрд. лет происходит на Солнце и будет длиться ещё около 4 млрд. лет.

После того, как инженеры нагревают газ в реакторе до нужной температуры, они используют суперохлажденные магнитные катушки для создания сильных магнитных полей, удерживающих плазму.

К примеру, в установке W7-X есть 50 6-тонных магнитных катушек, показанных фиолетовым цветом на приведенном ниже GIF-изображении. Плазма содержится в красном змеевике:

Гигантский термоядерный стелларатор W7-X в Германии, который может революционизировать способы генерации энергии

Разница между токамаками и стеллараторами

В течение многих лет токамаки считались наиболее перспективными установками для производства энергии синтеза, потому что конфигурация их магнитных катушек, удерживающих плазму, лучше, чем у существующих стеллараторов.

Гигантский термоядерный стелларатор W7-X в Германии, который может революционизировать способы генерации энергии
Устройство W7-X

Но есть проблема: токамаки могут управлять плазмой только в течение коротких периодов времени — не более семи минут. При этом затраты энергии, необходимой для генерации плазмы, превышают количество энергии, полученной от этих периодических всплесков.

Таким образом, токамаки потребляют больше энергии, чем производят, что явно не соответствует требованиям, выдвигаемым к термоядерным реакторам, которые уже довольно давно называют «наиболее важным источником энергии следующего тысячелетия».

Благодаря своему внутреннему устройству, стеллараторы должны удерживать плазму около 30 минут, что значительно превышает подобный показатель любого токамака. К примеру, рекорд французского токамака «Tore Supra» составляет 6 минут 30 секунд.

В случае успешной работы установки W7-X, она сможет произвести настоящую революцию среди реакторов термоядерного синтеза.

Ниже представлено удивительное покадровое видео строительства W7-X.