Вендельштайн 7-X

Вендельштайн 7-X (нем. Wendelstein 7-X, сокр. W7-X) — это крупнейший в мире стелларатор, экспериментальная термоядерная установка для удержания высокотемпературной плазмы с помощью магнитного поля. Относится к классы замкнутых магнитных ловушек, предназначенных для изучения возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза. Строительство и эксплуатация ведутся Институтом физики плазмы имени Макса Планка (Германия) в городе Грайфсвальд. Установка названа в честь горного массива Вендельштайн в Баварии, где в 1960-х годах был построен первый стелларатор этого института.

История создания

Предпосылки и первые стеллараторы

Идея стелларатора была предложена в 1951 году американским физиком Лайманом Спитцером. В отличие от токамака, стелларатор использует для удержания плазмы только внешние магнитные катушки, не требуя продольного тока в плазме. Это делает его стационарным по своей природе, что является преимуществом для будущих термоядерных реакторов. Однако долгое время стеллараторы уступали токамакам по параметрам удержания из-за сложности расчётов и изготовления тороидальных катушек сложной формы.

В 1960-х годах в Институте Макса Планка был построен стелларатор Wendelstein 1, затем Wendelstein 2 и Wendelstein 7. Последний, Wendelstein 7-A (1975 год), был классическим стелларатором с круговой осью. В 1980-х годах был построен Wendelstein 7-AS (Advanced Stellarator), который впервые реализовал модульную конструкцию магнитной системы, что позволило значительно улучшить удержание плазмы.

Проект Wendelstein 7-X

Решение о строительстве Wendelstein 7-X было принято в 1994 году. Целью проекта было создание стелларатора, способного продемонстрировать удержание плазмы с параметрами, близкими к термоядерным, в стационарном режиме (до 30 минут). Строительство началось в 1997 году, однако из-за высокой сложности и необходимости разработки уникальных технологий (сверхпроводящие катушки, точные вакуумные камеры) затянулось на два десятилетия.

Основные этапы:

• 1997–2005: проектирование и изготовление компонентов.
• 2005–2014: сборка установки в здании в Грайфсвальде.
• 2014: завершение сборки, начало вакуумных испытаний.
• 10 декабря 2015: получена первая плазма (гелиевая, длительностью 0,1 секунды).
• 2016–2017: серия экспериментов с гелиевой плазмой.
• 2017–2018: переход к водородной плазме.
• 2022: достижение рекордной длительности удержания плазмы (8 минут) при плотности, близкой к расчётной.

Устройство и принцип работы

Магнитная система

Wendelstein 7-X является стелларатором с модульной тороидальной магнитной системой. Основные элементы:

• 50 сверхпроводящих катушек: 20 несущих катушек (planar) и 30 модульных катушек (non-planar) сложной трёхмерной формы. Катушки изготовлены из ниобий-титанового сплава (NbTi) и охлаждаются жидким гелием до температуры 4 К (−269 °C). Масса каждой катушки — около 5 тонн.
• Магнитное поле: индукция на оси тора — до 3 Тл. Катушки создают тороидальное и полоидальное поля, которые вместе образуют замкнутые магнитные поверхности.
• Система коррекции: 10 дополнительных катушек для точной настройки магнитного поля.

Вакуумная камера

Плазма удерживается в вакуумной камере, изготовленной из нержавеющей стали. Камера имеет сложную тороидальную форму с пятью модулями. Внутренняя поверхность покрыта графитовыми плитками (для защиты от тепловых потоков) и, в перспективе, бериллиевыми или углеродными элементами. Объём камеры — около 30 м³.

Система нагрева плазмы

Для нагрева плазмы до термоядерных температур (порядка 100 млн °C) используются:

• Электронно-циклотронный резонансный нагрев (ECRH): 10 гиротронов мощностью по 1 МВт каждый, работающих на частоте 140 ГГц. Это основной метод нагрева.
• Ионно-циклотронный резонансный нагрев (ICRH): 2 антенны мощностью до 2 МВт.
• Нейтральная инжекция (NBI): 2 инжектора мощностью до 1,5 МВт каждый (в перспективе).

Диагностика

Установка оснащена сотнями диагностических систем: магнитные зонды, лазерные интерферометры, спектрометры, камеры для визуализации плазмы, рентгеновские и нейтронные детекторы. Это позволяет измерять плотность, температуру, состав плазмы, а также изучать турбулентность и нестабильности.

Экспериментальные результаты

Первая плазма и начальные этапы

В декабре 2015 года была получена первая плазма из гелия. Длительность разряда составила 0,1 секунды, температура — около 1 млн °C. В 2016–2017 годах проводились эксперименты с гелием для отладки систем и изучения поведения плазмы в стеллараторе.

Водородная плазма

В 2018 году начались эксперименты с водородной плазмой. Ключевые результаты:

• Достигнута температура ионов до 40 млн °C.
• Плотность плазмы — до 2×10²⁰ частиц/м³.
• Длительность удержания — до 100 секунд (в режиме с низкой плотностью).

Рекордная длительность

В 2022 году Wendelstein 7-X установил мировой рекорд для стеллараторов: удержание водородной плазмы в течение 8 минут (480 секунд) при плотности 1,5×10²⁰ частиц/м³ и температуре 20 млн °C. Это стало возможным благодаря оптимизации магнитной конфигурации и улучшению отвода тепла от стенок камеры.

Изучение турбулентности

Одной из главных задач W7-X является изучение турбулентности плазмы, которая ограничивает время удержания. Эксперименты показали, что в стеллараторе уровень турбулентности ниже, чем в токамаках сопоставимых размеров, что подтверждает теоретические расчёты.

Значение и перспективы

Научное значение

Wendelstein 7-X является ключевым инструментом для проверки теории стеллараторов. Он позволяет изучать:

• Устойчивость плазмы в трёхмерном магнитном поле.
• Механизмы переноса энергии и частиц.
• Взаимодействие плазмы со стенками камеры.
• Возможность стационарной работы (без импульсного режима).

Технологические достижения

Проект продемонстрировал возможность создания сверхпроводящих катушек сложной формы с высокой точностью (допуски — доли миллиметра). Разработаны уникальные технологии вакуумной сварки, криогенного охлаждения и диагностики.

Перспективы термоядерного синтеза

W7-X не предназначен для производства энергии, но его результаты используются для проектирования будущих термоядерных реакторов на основе стелларатора. В отличие от токамаков (например, ITER), стеллараторы потенциально могут работать в стационарном режиме, что делает их привлекательными для коммерческих электростанций. Однако сложность и стоимость магнитной системы остаются главными препятствиями.

Сравнение с другими установками

• Токамаки: Wendelstein 7-X уступает токамакам (например, JET, ITER) по параметрам удержания (температура, плотность), но превосходит по длительности разряда и стабильности.
• Другие стеллараторы: W7-X является крупнейшим и наиболее совершенным стелларатором в мире. Его предшественник, Wendelstein 7-AS, был значительно меньше (радиус 2 м против 5,5 м).

Критика и ограничения

Сложность и стоимость

Строительство W7-X обошлось в 1,1 млрд евро (по данным на 2015 год). Высокая стоимость и длительные сроки строительства (около 20 лет) вызывают критику со стороны сторонников токамаков, которые считают стеллараторы менее перспективными для коммерческого использования.

Технические ограничения

• Магнитная система требует постоянного криогенного охлаждения, что потребляет значительную энергию.
• Графитовые плитки на стенках камеры подвержены эрозии, что ограничивает длительность работы.
• Плазма в W7-X не достигает термоядерных температур (100 млн °C), необходимых для зажигания реакции.

Научные споры

Некоторые физики считают, что стеллараторы не смогут конкурировать с токамаками из-за более низкой эффективности удержания. Однако сторонники W7-X утверждают, что его стационарный режим и низкая турбулентность компенсируют этот недостаток.

Интересные факты

• Название «Вендельштайн» происходит от горного массива, где в 1960-х годах был построен первый стелларатор института. «7-X» означает седьмой стелларатор в серии, а «X» — экспериментальный.
• Магнитная система W7-X содержит 50 сверхпроводящих катушек, каждая из которых весит около 5 тонн. Общая масса установки — около 725 тонн.
• Для охлаждения катушек используется 6 тонн жидкого гелия, который циркулирует в криостате.
• В 2022 году на W7-X был установлен мировой рекорд для стеллараторов: удержание плазмы в течение 8 минут.
• Проект W7-X является одним из крупнейших научных проектов Германии, наряду с ускорителем XFEL и реактором ITER.

Источники

• Max Planck Institute for Plasma Physics. Wendelstein 7-X. Официальный сайт.
• Klinger, T. et al. (2019). Overview of first Wendelstein 7-X operation. Nuclear Fusion, 59(11), 112004.
• Pedersen, T. S. et al. (2022). First results from the Wendelstein 7-X stellarator. Physics of Plasmas, 29(5), 052501.
• Beidler, C. D. et al. (2021). Demonstration of reduced turbulent transport in the Wendelstein 7-X stellarator. Nature Physics, 17, 1035–1040.
• Wendelstein 7-X: A stellarator for the future. (2015). Nature, 528, 169–170.