Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X — это экспериментальная установка для управляемого термоядерного синтеза, относящаяся к типу стеллараторов. Расположена в Институте физики плазмы имени Макса Планка (IPP) в Грайфсвальде, Германия. Является крупнейшим и наиболее совершенным стелларатором в мире, предназначенным для исследования возможности удержания высокотемпературной плазмы с целью получения термоядерной энергии.

История создания

Проект Wendelstein 7-X берёт начало в 1980-х годах, когда группа физиков под руководством профессора Гюнтера Григера начала разработку концепции оптимизированного стелларатора. Предшественниками установки были более мелкие стеллараторы Wendelstein 7-A и Wendelstein 7-AS, построенные в 1970-х и 1980-х годах соответственно. На них были отработаны принципы магнитной конфигурации, которые затем легли в основу Wendelstein 7-X.

Строительство установки началось в 2005 году. Основные компоненты — магнитная система, вакуумная камера и криостат — изготавливались на предприятиях Германии, Швейцарии и других стран. Сборка заняла около 10 лет. Первая плазма была получена 10 декабря 2015 года. В 2016 году установка вышла на проектные параметры, а в 2017 году началась фаза экспериментов с дейтериевой плазмой.

Конструкция и принцип работы

Wendelstein 7-X является стелларатором — типом термоядерного реактора, в котором магнитное поле для удержания плазмы создаётся исключительно внешними катушками, без использования индуцированного тока в самой плазме (в отличие от токамаков). Это делает стеллараторы потенциально более стабильными, но конструктивно сложнее.

Магнитная система

Основу установки составляют 50 нестандартных сверхпроводящих катушек, изготовленных из ниобий-титанового сплава. Катушки имеют сложную трёхмерную форму, оптимизированную для создания магнитного поля, которое удерживает плазму в виде замкнутого тора. Катушки охлаждаются жидким гелием до температуры 4,5 К (-268,65 °C). Магнитная система создаёт поле напряжённостью до 3 Тл.

Вакуумная камера и криостат

Плазма находится в вакуумной камере из нержавеющей стали объёмом около 30 м³. Камера окружена криостатом — теплоизоляционной оболочкой, внутри которой поддерживается вакуум для минимизации теплопередачи к сверхпроводящим катушкам. Криостат имеет диаметр около 16 м и высоту 6 м.

Нагрев плазмы

Для нагрева плазмы до термоядерных температур (около 100 млн °C) используются три системы:

• Электронно-циклотронный резонансный нагрев (ECRH) — мощностью до 10 МВт.
• Ионно-циклотронный резонансный нагрев (ICRH) — мощностью до 2 МВт.
• Нагрев нейтральными пучками (NBI) — мощностью до 2 МВт.

Научные цели и результаты

Основная задача Wendelstein 7-X — продемонстрировать, что стеллараторы могут удерживать плазму с параметрами, достаточными для работы термоядерного реактора. Ключевые научные цели включают:

• Изучение стабильности плазмы — в стеллараторах отсутствуют неустойчивости, связанные с током в плазме, но есть другие типы неустойчивостей.
• Оптимизация магнитной конфигурации — проверка теории, предсказывающей, что специально спроектированная форма катушек снижает потери частиц и тепла.
• Исследование дивертора — устройства для отвода тепла и примесей из плазмы. Wendelstein 7-X оснащён модульным дивертором, который может переключаться между разными режимами работы.

К 2024 году на установке были получены следующие результаты:

• Достигнута длительность удержания плазмы до 30 минут при температуре около 20 млн °C.
• Плотность плазмы превысила 10²⁰ частиц на м³.
• Продемонстрирована возможность работы с дивертором в режиме, близком к условиям термоядерного реактора.

Сравнение с токамаками

Wendelstein 7-X часто сравнивают с токамаками, такими как ITER (строящийся международный экспериментальный термоядерный реактор). Основные различия:

Международное сотрудничество

Хотя Wendelstein 7-X находится в Германии, проект является международным. В его создании и эксплуатации участвуют учёные из более чем 20 стран, включая Россию, США, Японию, Китай и государства Европейского союза. Российские институты (например, Институт ядерной физики СО РАН) поставляли отдельные компоненты, в частности, системы диагностики плазмы.

Перспективы

Wendelstein 7-X не предназначен для производства электроэнергии. Его задача — экспериментальная проверка физических принципов. На основе полученных данных планируется создать более крупный стелларатор — Wendelstein 7-Y или аналогичную установку, которая могла бы стать прототипом термоядерной электростанции. Ожидается, что после завершения программы исследований на Wendelstein 7-X (ориентировочно в 2030-х годах) будет принято решение о строительстве демонстрационного реактора.

Критика и сложности

Основная критика стеллараторов связана с их конструктивной сложностью и высокой стоимостью. Изготовление нестандартных катушек для Wendelstein 7-X потребовало создания уникальных технологий, что увеличило бюджет проекта до 1,1 млрд евро. Кроме того, стеллараторы уступают токамакам по плотности плазмы при равных размерах. Однако сторонники стеллараторов утверждают, что их преимущество в стабильности и потенциальной непрерывности работы может компенсировать эти недостатки.

Источники

• Институт физики плазмы имени Макса Планка (IPP), официальные отчёты и публикации по проекту Wendelstein 7-X.
• Научные статьи в журналах «Nuclear Fusion», «Plasma Physics and Controlled Fusion» (2015–2024).
• Материалы конференций по термоядерному синтезу (IAEA Fusion Energy Conference, 2016–2023).
• Книга «Stellarators: From Concept to Reality» (под ред. Г. Григера, 2019).