Sztellarátor

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez
Példa a sztelarrátorra, amelyet a Wendelstein 7-X kísérleti reaktorban használnak:
A tekercs (kék) körbeveszi a plazmát (sárga). A mágneses erővonal zölddel van feltüntetve a sárgával feltüntetett plazma felületén
Wendelstein 7-X Greifswald, Németország
HSX sztellarátor

A sztellarátor egy olyan berendezés, amely nagy hőmérsékletű plazmát képes egyben tartani, mágneses mező segítségével, annak érdekében, hogy ellenőrzött magfúziós reakciót tartson fenn. A név a csillagokéhoz hasonló energiatermelés lehetőségére utal.[1]

Egyike a legkorábbi, ellenőrzött fúziót lehetővé tevő berendezéseknek, feltalálója Lyman Spitzer, akinek 1951-ben egy síkiránduláson jött az ötlete. A legelső kísérleti modell, a Model A, már 1953-ban működőképes volt.[2] Nagyobb modellek követték, de ezek teljesítménye a vártnál jóval alacsonyabb volt. A sztellarátorok nagy hírnévnek örvendtek az 1950-es és 1960-as években, de a jobban teljesítő tokamak megjelenése vezetett ahhoz, hogy elestek a népszerűségtől 1970-re.

Az 1990-es években a tokamak elgondolásaival kapcsolatos problémák ahhoz vezettek, hogy ismét az érdeklődés tárgya lett a sztellarátor,[3] melynek eredményeként számos új berendezés épült. Említésre méltó modern sztellarátorok a németországi Wendelstein 7-X, a Helically Symmetric Experiment (HSX) az Egyesült Államokban, és a Large Helical Device Japánban.

Leírás[szerkesztés]

Háttér[szerkesztés]

A korai fúziós kutatás két ágra oszlott; vannak berendezések, amelyek a fúziós üzemanyag pár pillanatig nagy sűrűségűre való összenyomásán alapultak (mint a pinch), ezeket elsősorban az Egyesült Királyságban kutatták; és vannak azok, amelyek kisebb sűrűségen, de hosszabb ideig tudnak működni, mint a „mágneses tükör” és a sztellarátor. A későbbi rendszerekben a kulcsproblémát az jelentette, hogy a plazmát minél hosszabb ideig tartsák egyben anélkül, hogy a legnagyobb energiájú részecskék megszökjenek a berendezésből.

A plazma elektromos töltéssel rendelkezik, tehát hat rá a Lorentz-erő, ezáltal jól elhelyezett mágnesekkel be lehet zárni egy adott térfogatba. A legegyszerűbb módja ezt megérteni, ha elképzelünk egy tekercset, amely csigavonal alakú drótból áll, ami körbe van tekerve egy hengeres vázon. A plazmára egy erő fog hatni, amely arra készteti, hogy elhagyja a tekercset a másik végén.

Egy megoldás erre a problémára az, ha a tekercset önmagába hajlítjuk, egy gyűrűt képezve. Bár ebben az esetben a mágneses tér nem lenne uniform, ami miatt egy idő után a plazma a tekercs falához érve elhagyná azt.

Újabb ötletek[szerkesztés]

A sztellarátor alapötlete az, hogy a kihasználja azokat a területeket, ahol változik a mágneses tér, hogy a részekre ható erőket kiegyenlítse. Spitzer elképzelése szerint a mágnesek helyes elrendezésével érné ezt el, de a modern rendszerek egy sor különféle alakú mágnest használnak, különféle elrendezésekben.

A pinch és a tokamak típusú berendezések kizárólag a mágneses térre hagyatkoznak, de használnak további egyben tartó erőket azáltal, hogy elektromos áramot vezetnek a plazmán keresztül. Ezek az elektromos erők nagyon erős egyben tartó erőket eredményeznek, de ugyanakkor a plazma instabilitását is okozzák. Ahogy az elektromos feszültség nőtt az 1980-as évek tesztjeiben, úgy tűnt, hogy ez komoly problémához vezet, ami miatt a sztellarátor iránt megint megnőtt az érdeklődés.

Konfigurációk[szerkesztés]

Számos különféle konfigurációja létezik a sztellarátoroknak, mégpedig:

Torsatron
Egy sztellarátor folytonos spirális tekerccsel. Helyettesíthető egy sor, nem folytonos tekercs egymásutánjával, ami ugyanazt az eredményt adja.
Heliotron
Olyan sztellarátor, amelyben a spirális tekercs együtt egy pár poloid mező tekerccsel, amelyek függőleges teret indukálnak, végzi a plazma kontrollálását. Toroid mező tekercsek is használhatók, hogy a mágneses felület jellemzőit kontrollálják. A Large Helical Device Japánban ezt a konfigurációt használja.
Modulár sztellarátor
Sztellarátor egy pár moduláris tekerccsel és megtűrt toroid tekerccsel.[4] pl. Helically Symmetric Experiment (HSX)
Heliac
A spirál tengelyű sztellarátor, amelyben a mágneses tengely egy spirál út mentén toroid csigavonalat alkot sima gyűrű helyett. A megtűrt plazma egy tűrődést indukál a mágnese erőtér vonalakban, hogy megelőzze a plazma elcsúszását, és általában nagyobb tűrődést eredményez, mint a torsatron vagy a heliotron, főleg a plazma közepéhez közel. Az eredeti heliac csakis körkörös tekercsből áll, a rugalmas heliac[5] (H-1NF, TJ-II, TU-Heliac) hozzáad egy kis csavaros tekercset, hogy lehetővé tegye a csavarodás változtatható legyen egészen 2 tényezővel.
Helias
csavaros korszerűsített sztellarátor egy optimizált moduláris tekercset használ, hogy párhuzamosan elérjen magas plazma hőmérsékletet, alacsony Pfirsch-Schulter feszültséget és jó kontrollt a nagy energiájú részecskék felett.[6] A helias a legígéretesebb sztellarátor egy erőműhöz.[forrás?] A Wendelstein 7-X berendezés alapelve egy öt térperiódusú helias konfiguráció.

Összehasonlítás a tokamakkal[szerkesztés]

Tokamak mágneses tér és feszültség


Habár rendelkeznek toroid mágneses tér topológiával, a sztellarátorok különböznek a tokamaktól abban, hogy azimutálisan nem szimmetrikusak. Inkább diszkrét rotációs szimmetriával rendelkeznek, gyakran ötszörös szimmetriával, mint egy szokásos ötszög.

Vitatott dolog, hogy a sztellarátorok fejlettsége nem ér fel a tokamakéval, de belső stabilitásuk miatt mai napig is használják és fejlesztik a sztellarátorokat.

Az erőtér, a plazma és a konténer háromdimenziós természete sokkal bonyolultabbá teszi, hogy elméleti vagy kísérleti méréseket végezzenek a sztellarátoron. A tokamak megtervezése és kivitelezése könnyebb.

Habár a sztellarátoroknak, ellentétben a tokamakkal, nem kell toroid feszültség, ezáltal lehetségessé válik, hogy oly módon optimizálják a sztellarátort, ahogyan a tokamakot lehetetlen.

Friss eredmények[szerkesztés]

Optimizálás a veszteségek csökkentésére[szerkesztés]

A mágneses térbe való bezárás célja, hogy minimalizálja az energia átadást a mágneses térben. Sztellarátoroknál gyakran előfordul, hogy a részecskék a változó mágneses térben úgymond csapdába esnek, ezáltal energia hagyja el a rendszert.

A University of Wisconsin villamosmérnök professzora, David Anderson és kutató asszisztense, John Canik bebizonyították 2007-ben, hogy a Helically Symmetric Experiment (HSX) képes túljutni ezen a lényeges akadályon a plazmakutatásban. A HSX az első sztellarátor, amely kváziszimmetrikus mágneses teret használ. A csapat megtervezte és megépítette a HSX-et azzal a jóslattal, hogy a kváziszimmetria csökkenteni fogja az energiavesztést. Ahogyan a kutatási eredmény mutatja, pontosan ez történt. "This is the first demonstration that quasisymmetry works, and you can actually measure the reduction in transport that you get," mondja Canik. [7][8]

Az újabb Wendelstein 7-X Németországban arra van tervezve, hogy megközelítse az omnigeneitást, ami szükséges de nem elégséges feltétele a kváziszimmetriának.[9]

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. Daniel Clery (2015). „The bizarre reactor that might save nuclear fusion”. Science. DOI:10.1126/science.aad4746.  
  2. Stix, Thomas (1998. november 29.). „Highlights in Early Stellarator Research at Princeton”. Journal of Plasma Fusion, 3-8. o.  
  3. After ITER, Many Other Obstacles for Fusion Power”, Science, 2013. január 17. 
  4. Wakatani, M.. Stellarator and Heliotron Devices. Oxford University Press (1998). ISBN 0-19-507831-4 
  5. Harris, J. H. (1985). „A flexible heliac configuration”. Nuc. Fusion 25 (5), 623. o. DOI:10.1088/0029-5515/25/5/005.  
  6. Archivált másolat. [2013. június 21-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. január 31.)
  7. (2007. február 23.) „Experimental Demonstration of Improved Neoclassical Transport with Quasihelical Symmetry”. Physical Review Letters 98 (8), 085002. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.98.085002. PMID 17359105.  
  8. New stellerator a step forward in plasma research (news article on phys.org)
  9. Omnigeneity – FusionWiki. fusionwiki.ciemat.es

További információk[szerkesztés]

Fordítás[szerkesztés]

  • Ez a szócikk részben vagy egészben a Stellarator című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.