Стеларатор (від лат. stella — зоря) — замкнута магнітна пастка для утримання високотемпературної плазми. Стеларатор є одним із типів термоядерних реакторів для здійснення процесу керованого термоядерного синтезу.
Історія
Стеларатор винайшов американець Лайман Спітцер у 1951 році в цілях вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу. Такі установки можуть складати конкуренцію установкам типу «токамак».
Перші дослідження на стелараторах розпочались ще у 1950-х роках в США. Але ці роботи не увінчались успіхом: на всіх установках спостерігалась підвищена дифузія Бома в плазмі. Причини невдач — відносно низькі значення полоїдальних магнітних полів і відсутність контролю за якістю магнітних поверхонь. Успіхи в СРСР на установках типу токамак призвели до закриття американської стелараторної програми і зосередженню зусиль на дослідження на токамаках.
У 1960-х рр. дослідження в галузі стелараторів перемістилися в СРСР, а згодом і у ФРН, Велику Британію та Японію. Перших успіхів було досягнуто в Харківському фізико-технічному інституті Академії наук СРСР та у Фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва АН СРСР.
У 1960 році Ігор Васильович Курчатов запропонував створити реактор на базі пастки із замкнутою магнітною системою стелараторного типу. Параметри стеларатора «Україна», що закладалися, і сьогодні вражають: діаметр перерізу тороїдальної камери — 1 метр, напруженість магнітного поля — до 70 кгс. Раптова смерть Курчатова в грудні 1960 року призвела до того, що початково задуманий проект трансформувався зрештою в серію установок «Ураган» зі значно скромнішими параметрами. Перша із них була споруджена лише в 1967 році. Було розроблено серію стелараторів, починаючи з установок «Сіріус», «Ураган-1», «Ураган-2» і пізніше «Ураган-2М».
Подальші дослідження стеларатора привели до створення його модифікації — торсатрона, що має дивертор — систему для очищування плазми від домішок і виведення продуктів реакції (гелію). Етапною подією в розвитку стелараторів стало спорудження в 1970 році уперше у світі стелларатора-торсатрона «Сатурн» (Відділення плазми ХФТІ) з принципово новою магнітною системою, запропонованою співробітником інституту В.Ф.Алєксіним. Сукупність властивостей торсатрона дозволяє розглядати його як можливу основу стаціонарного тороїдального термоядерного реактора.
Пізніше був побудований у той час найбільший і оригінальний торсатрон «Ураган-3» — його магнітна система була поміщена у вакуумну камеру.
Системи, подібні до торсатрона, в Японії дістали назву геліотрон. Сьогодні в Японії працює побудований за цією схемою найбільший у світі стелларатор-торсатрон Large Hellical Device, на якому отримані результати, що поставили його в один ряд з найбільшими токамаками.
Принцип роботи
На відміну від токамака, в стелараторі гвинтове прокручування силових ліній магнітного поля, необхідне для утримання плазми в торі, здійснюється не за рахунок протікання електричного струму по плазмовому шнуру, а за допомогою струму в системі зовнішніх обмоток двох типів. Внаслідок цього плазма може утримуватись в стаціонарному стані, що має важливе значення для забезпечення роботи термоядерного реактора.
Магнітне поле в стелараторі створюється за допомогою зовнішніх провідників. Його силові лінії піддаються так званому обертальному перетворенню, в результаті якого ці лінії багато разів обходять уздовж тора і утворюють систему замкнутих вкладених одну в одну тороїдальних магнітних поверхонь.
Обертальне перетворення силових ліній може бути здійснене як шляхом геометричної деформації тороїдального соленоїда (наприклад, скручуванням його у «вісімку»), так і за допомогою гвинтових провідників, навитих на тор.
Установки типу «стеларатор» у світі
Діючі стеларатори
| Стеларатор | Країна | Місто | Установа | Запуск |
|---|---|---|---|---|
| Ураган-3М (У-3М) | Україна | Харків | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» | 1981 |
| Ливень-2М (Л-2М) | Росія | Москва | Інститут загальної фізики ім. А.М.Прохорова РАН | 1972; 1995 |
| WEGA | Німеччина | Грайфсвальд | Інститут фізики Макса Планка (IPP) | 2001 |
| Helically Symmetric eXperiment (HSX) | США | Медісон | Університет Вісконсин-Медісон | |
| Compact Auburn Torsatron (CAT) | США | Оборн, AL | Оборнський університет | 1993 |
| TJ-II Flexible Heliac | Іспанія | Мадрид | CIEMAT | 1994; 2008 |
| H-1 | Австралія | Канберра | Австралійський національний університет | 1992 |
| Heliotron J | Японія | Кіото | Кіотський університет | 1980 |
| Large Helical Device (LHD) | Японія | Нагоя | Національний інститут термоядерних досліджень | |
| Wendelstein 7-X (W-7X) | Німеччина | Грайфсвальд | Інститут фізики Макса Планка (IPP) | 2016 |
Стеларатори, що припинили роботу
| Стеларатор | Країна | Місто | Установа | Роки роботи |
|---|---|---|---|---|
| Wendelstein 7-AS (W-7AS) | Німеччина | Ґархінґ | Інститут фізики Макса Планка (IPP) | 1988-2002 |
| National Compact Stellarator Experiment (NCSX) | США | Принстон | Принстонська лабораторія фізики плазми | — |
Проекти майбутніх стелараторів
- Quasi-Poloidal Stellarator (QPS) — США, Університет Теннессі, Теннессі (знаходиться на стадії проектування).
Джерела
- Поняття установки типу «стеларатор» на сайті Європейського Ядерного Товариства (англ.)
- Стеларатор (укр.)
- Stellarators[недоступне посилання з липня 2019]. Carlos Alejaldre. Physics World, October 1996. ISSN 0953-8585 (англ.)
- М.О.Азарєнков та ін. Володимир Тарасович Толок. Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Серія: фізична "Ядра, частинки, поля". ISSN 2221-7754
Посилання
- Офіційна веб-сторінка Проекту LHD
- Офіційна сторінка Стеларатора Wendelstein 7-AS
- Офіційна сторінка проекту Wendelstein 7-X
Див. також
| ||||||||||||||