Стелларатор
Стелларатор — это плазменное устройство , которое в основном использует внешние магниты для удержания плазмы. Ученые, исследующие термоядерный синтез с магнитным удержанием , стремятся использовать стеллараторные устройства в качестве сосуда для ядерных термоядерных реакций. Название указывает на возможность использования источника энергии звезд , таких как Солнце . [1] Это одно из первых термоядерных устройств, наряду с z-пинчем и магнитным зеркалом .
Стелларатор был изобретен американским ученым Лайманом Спитцером из Принстонского университета в 1951 году, и большая часть его ранних разработок была выполнена его командой в том, что стало называться Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL). Модель А Лаймана начала работу в 1953 году и продемонстрировала удержание плазмы. Затем последовали более крупные модели, но они продемонстрировали плохую производительность, теряя плазму со скоростью, намного превышающей теоретические предсказания. К началу 1960-х всякая надежда на быстрое производство коммерческой машины угасла, и внимание переключилось на изучение фундаментальной теории высокоэнергетической плазмы. К середине 1960-х Спитцер был убежден, что стелларатор соответствует диффузии Бома .скорость, что предполагало, что это никогда не будет практичным термоядерным устройством.
Обнародование информации о конструкции токамака в СССР в 1968 году указывало на скачок в производительности. После долгих дебатов в индустрии США компания PPPL преобразовала стелларатор Model C в симметричный токамак (ST), чтобы подтвердить или опровергнуть эти результаты. ST подтвердил их, и крупномасштабная работа над концепцией стелларатора закончилась в США, поскольку токамак привлек к себе наибольшее внимание в течение следующих двух десятилетий. Исследования конструкции продолжились в Германии и Японии, где было построено несколько новых конструкций.
В конечном итоге оказалось, что токамак имеет те же проблемы, что и стеллараторы, но по другим причинам. С 1990-х годов интерес к конструкции стелларатора возобновился. [2] Новые методы построения повысили качество и мощность магнитных полей, повысив производительность. [3] Для проверки этих концепций был построен ряд новых устройств. Основные примеры включают Wendelstein 7-X в Германии, спирально-симметричный эксперимент (HSX) в США и большое спиральное устройство в Японии.
В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми осуществили термоядерный синтез на Земле, используя ускоритель частиц , чтобы выстрелить ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий , литий или другие элементы. [4] Эти эксперименты позволили им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза между ядрами и определили, что реакция трития-дейтерия протекает при более низкой энергии, чем любое другое топливо, с пиком около 100 000 электронвольт (100 кэВ). [5] [а]
100 кэВ соответствует температуре около миллиарда кельвинов . Из-за статистики Максвелла – Больцмана объемный газ при гораздо более низкой температуре все еще будет содержать некоторые частицы с этими гораздо более высокими энергиями. Поскольку реакции синтеза высвобождают так много энергии, даже небольшое количество этих реакций может высвободить достаточно энергии, чтобы поддерживать необходимую температуру газа. В 1944 году Энрико Ферми продемонстрировал, что это произойдет при температуре в объеме около 50 миллионов градусов по Цельсию, все еще очень высокой, но в пределах диапазона существующих экспериментальных систем. Ключевой проблемой было ограничениетакая плазма; ни один материальный контейнер не мог выдержать таких температур. Но поскольку плазма электропроводна, она подвержена воздействию электрических и магнитных полей, что дает ряд решений. [6]
