Стеллара́тор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза . Название происходит от лат. stella — звезда , что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд. Изобретён американским учёным-физиком Л. Спитцером в 1951 году, первый образец построен под его руководством в рамках .

Конструкция и принцип работы

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы . Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.

Во всех стеллараторах, построенных в XX веке, конфигурации вращательного преобразования были аналогичны друг другу , на одну из таких конфигураций была оформлена заявка на получение авторского свидетельства СССР под названием Торсатрон . В этой конфигурации необходимое магнитное поле создавали две обмотки — винтовая (создающая продольное магнитное поле со свойством преобразования вращения силовых линий) и охватывающая её полоидальная (компенсационная), при помощи которой в плазменном объеме компенсируется перпендикулярная к плоскости тора составляющая магнитного поля, созданная током винтовой обмотки. Наглядно устройство стелларатора-торсатрона показано здесь . Конфигурация типа «торсатрон» была далеко не совершенна и имела множество факторов, на практике значительно сокращавших теоретическое время удержания плазмы. Поэтому долгое время удержание плазмы в токамаках имело существенно лучшие показатели, нежели в стеллараторах . Однако изучение поведения плазмы в стеллараторах-торсатронах позволило создать в дальнейшем стеллараторы принципиально нового типа (см. ниже).

Существенный прогресс в развитии стеллараторов был достигнут в начале XXI века в связи с мощным развитием компьютерных технологий и, в частности, компьютерных систем инженерного проектирования. С их помощью была оптимизирована магнитная система стелларатора. В результате появилась совершенно новая конфигурация вращательного преобразования — если в конфигурации «торсатрон» нужное магнитное поле создавалось двумя обмотками — винтовой и полоидальной (см. выше), то в новой конфигурации магнитное поле создавалось исключительно одной обмоткой, состоящей из модульных трехмерных тороидальных катушек, сложно искривленная форма которых была рассчитана с помощью вышеупомянутых компьютерных программ .

Процесс работы

Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии — магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения — так называемого циклотронного резонанса . При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития , начинаются термоядерные реакции .

Тот факт, что для магнитного удержания плазмы требуется тороидальный сосуд, а не сферический , напрямую связан с «теоремой о еже» , согласно которой «сферический ёж» не может быть причёсан — по крайней мере в одной точке ежа иголки будут стоять перпендикулярно «поверхности ежа». Это напрямую связано с топологическим свойством поверхности — эйлерова характеристика сферы равна 2. С другой стороны, тор возможно причесать гладко, так как его эйлерова характеристика равна 0. При рассмотрении вектора магнитного поля как иголки становится ясно, что замкнутая магнитная поверхность может быть только поверхностью с эйлеровой характеристикой, равной нулю — в том числе тороидальной. ^{[ источник не указан 2962 дня ]}

Некоторые действующие стеллараторы

• Large Helical Device (Япония)
• Wendelstein 7-AS (Германия)
• Wendelstein 7-X
• Ураган-3М (Харьков, Украина)
• (Москва, Россия)
• TJ-II (Мадрид, Испания)

См. также

• Управляемый термоядерный синтез
• Токамак
• Инерциальный управляемый термоядерный синтез

Примечания

1. Greenwald, J. (неопр.) . Princeton Plasma Physics Lab (23 октября 2013). Дата обращения: 12 апреля 2017. Архивировано из 25 апреля 2017 года.
2. ↑ Е. П. Велихов , С. В. Путвинский. // Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе. — 1999. 20 сентября 2020 года.
3. (неопр.) . Дата обращения: 16 июня 2015. 17 июня 2015 года.
4. (неопр.) . Дата обращения: 16 июня 2015. 17 июня 2015 года.
5. (неопр.) . Дата обращения: 6 июля 2020. 25 сентября 2020 года.

Ссылки

• // УФН 71 328—338 (1960)
• Lyman Spitzer, The Stellarator Concept // Phys. Fluids 1, 253 (1958);
• John L. Johnson, // 13th International Stellarator Workshop
• // ITER Newsline #172, 15 Apr 2011