Стелларатор

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 Л. Спитцером в 1950 году, первый образец построен под его руководством в следующем году в рамках секретного проекта «Маттерхорн».

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 до начала XXI века, 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 графических программ. 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 графических 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.К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)

Некоторые действующие стеллараторы

• Large Helical Device (Япония)
• Wendelstein 7-AS (Германия)
• Wendelstein 7-X
• Ураган-3М (Харьков, Украина)
• [mipt.ru/education/chairs/laser/science/laboratorii-instituta/otdel-fiziki-plazmy.php Л-2М (Москва, Россия)]

См. также

• Токамак
• Управляемый термоядерный синтез

Ссылки

• [femto.com.ua/articles/part_2/3880.html Энциклопедия физики и техники — Стеллараторы]
• [energ2010.ru/Stati/Elektrostanciya/AES/Klassifikaciya_Aes/Termoyaderny_reaktor/Stellarator.html Сайт энергетика — Стелларатор]
• [ufn.ru/ru/articles/1960/6/e/ Спитцер Л «Стелларатор»] // УФН 71 328—338 (1960)
• Lyman Spitzer, The Stellarator Concept // Phys. Fluids 1, 253 (1958); doi:10.1063/1.1705883
• John L. Johnson, [wwwrsphysse.anu.edu.au/admin/stellarator/papers/johnson.pdf The Evolution of Stellarator Theory at Princeton] // 13th International Stellarator Workshop
• [www.iter.org/newsline/172/680 The stellarator renaissance] // ITER Newsline #172, 15 Apr 2011
• ocw.mit.edu/courses/nuclear-engineering/22-012-seminar-fusion-and-plasma-physics-spring-2006/assignments/stellarators.pdf

Отрывок, характеризующий Стелларатор

Лицо Николушки, похожее на отца, в минуту душевного размягчения, в котором Пьер теперь находился, так на него подействовало, что он, поцеловав Николушку, поспешно встал и, достав платок, отошел к окну. Он хотел проститься с княжной Марьей, но она удержала его.
– Нет, мы с Наташей не спим иногда до третьего часа; пожалуйста, посидите. Я велю дать ужинать. Подите вниз; мы сейчас придем.
Прежде чем Пьер вышел, княжна сказала ему:
– Это в первый раз она так говорила о нем.


Пьера провели в освещенную большую столовую; через несколько минут послышались шаги, и княжна с Наташей вошли в комнату. Наташа была спокойна, хотя строгое, без улыбки, выражение теперь опять установилось на ее лице. Княжна Марья, Наташа и Пьер одинаково испытывали то чувство неловкости, которое следует обыкновенно за оконченным серьезным и задушевным разговором. Продолжать прежний разговор невозможно; говорить о пустяках – совестно, а молчать неприятно, потому что хочется говорить, а этим молчанием как будто притворяешься. Они молча подошли к столу. Официанты отодвинули и пододвинули стулья. Пьер развернул холодную салфетку и, решившись прервать молчание, взглянул на Наташу и княжну Марью. Обе, очевидно, в то же время решились на то же: у обеих в глазах светилось довольство жизнью и признание того, что, кроме горя, есть и радости.
– Вы пьете водку, граф? – сказала княжна Марья, и эти слова вдруг разогнали тени прошедшего.
– Расскажите же про себя, – сказала княжна Марья. – Про вас рассказывают такие невероятные чудеса.
– Да, – с своей, теперь привычной, улыбкой кроткой насмешки отвечал Пьер. – Мне самому даже рассказывают про такие чудеса, каких я и во сне не видел. Марья Абрамовна приглашала меня к себе и все рассказывала мне, что со мной случилось, или должно было случиться. Степан Степаныч тоже научил меня, как мне надо рассказывать. Вообще я заметил, что быть интересным человеком очень покойно (я теперь интересный человек); меня зовут и мне рассказывают.
Наташа улыбнулась и хотела что то сказать.
– Нам рассказывали, – перебила ее княжна Марья, – что вы в Москве потеряли два миллиона. Правда это?
– А я стал втрое богаче, – сказал Пьер. Пьер, несмотря на то, что долги жены и необходимость построек изменили его дела, продолжал рассказывать, что он стал втрое богаче.
– Что я выиграл несомненно, – сказал он, – так это свободу… – начал он было серьезно; но раздумал продолжать, заметив, что это был слишком эгоистический предмет разговора.
– А вы строитесь?
– Да, Савельич велит.
– Скажите, вы не знали еще о кончине графини, когда остались в Москве? – сказала княжна Марья и тотчас же покраснела, заметив, что, делая этот вопрос вслед за его словами о том, что он свободен, она приписывает его словам такое значение, которого они, может быть, не имели.
– Нет, – отвечал Пьер, не найдя, очевидно, неловким то толкование, которое дала княжна Марья его упоминанию о своей свободе. – Я узнал это в Орле, и вы не можете себе представить, как меня это поразило. Мы не были примерные супруги, – сказал он быстро, взглянув на Наташу и заметив в лице ее любопытство о том, как он отзовется о своей жене. – Но смерть эта меня страшно поразила. Когда два человека ссорятся – всегда оба виноваты. И своя вина делается вдруг страшно тяжела перед человеком, которого уже нет больше. И потом такая смерть… без друзей, без утешения. Мне очень, очень жаль еe, – кончил он и с удовольствием заметил радостное одобрение на лице Наташи.
– Да, вот вы опять холостяк и жених, – сказала княжна Марья.
Пьер вдруг багрово покраснел и долго старался не смотреть на Наташу. Когда он решился взглянуть на нее, лицо ее было холодно, строго и даже презрительно, как ему показалось.
– Но вы точно видели и говорили с Наполеоном, как нам рассказывали? – сказала княжна Марья.
Пьер засмеялся.
– Ни разу, никогда. Всегда всем кажется, что быть в плену – значит быть в гостях у Наполеона. Я не только не видал его, но и не слыхал о нем. Я был гораздо в худшем обществе.
Ужин кончался, и Пьер, сначала отказывавшийся от рассказа о своем плене, понемногу вовлекся в этот рассказ.
– Но ведь правда, что вы остались, чтоб убить Наполеона? – спросила его Наташа, слегка улыбаясь. – Я тогда догадалась, когда мы вас встретили у Сухаревой башни; помните?
Пьер признался, что это была правда, и с этого вопроса, понемногу руководимый вопросами княжны Марьи и в особенности Наташи, вовлекся в подробный рассказ о своих похождениях.
Сначала он рассказывал с тем насмешливым, кротким взглядом, который он имел теперь на людей и в особенности на самого себя; но потом, когда он дошел до рассказа об ужасах и страданиях, которые он видел, он, сам того не замечая, увлекся и стал говорить с сдержанным волнением человека, в воспоминании переживающего сильные впечатления.
Княжна Марья с кроткой улыбкой смотрела то на Пьера, то на Наташу. Она во всем этом рассказе видела только Пьера и его доброту. Наташа, облокотившись на руку, с постоянно изменяющимся, вместе с рассказом, выражением лица, следила, ни на минуту не отрываясь, за Пьером, видимо, переживая с ним вместе то, что он рассказывал. Не только ее взгляд, но восклицания и короткие вопросы, которые она делала, показывали Пьеру, что из того, что он рассказывал, она понимала именно то, что он хотел передать. Видно было, что она понимала не только то, что он рассказывал, но и то, что он хотел бы и не мог выразить словами. Про эпизод свой с ребенком и женщиной, за защиту которых он был взят, Пьер рассказал таким образом: