Wendelstein 7-X

Ο αντιδραστήρας Wendelstein 7-X (W7-X) είναι ένα πειραματικός stellarator (αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης) κατασκευασμένος στο Γκράιφσβαλντ της Γερμανίας, από το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Φυσική Πλάσματος (IPP), και ολοκληρωμένος τον Οκτώβριο του 2015. Είναι μια περαιτέρω εξέλιξη του Wendelstein 7-AS. Ο σκοπός του Wendelstein 7-X είναι η αξιολόγηση των κυρίως τμημάτων ενός μελλοντικού αντιδραστήρα σύντηξης ο οποίος θα κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τεχνολογία stellarator. Ο τρέχων αντιδραστήρας δεν αποτελεί ένα βιώσιμο οικονομικά εργοστάσιο ενέργειας σύντηξης.

Ο αντιδραστήρας Wendelstein 7-X είναι η μεγαλύτερη συσκευή σύντηξης η οποία χρησιμοποιεί την έννοια του stellarator, η οποία ήταν το πνευματικό παιδί του φυσικού Λάιμαν Σπίτζερ. Σχεδιάζεται να λειτουργεί μέχρι 30 λεπτά σε κατάσταση συνεχούς αποφόρτισης πλάσματος. Με αυτόν τον τρόπο επιδεικνύει ένα απαραίτητο χαρακτηριστικό για τα μελλοντικά εργοστάσια ενέργειας σύντηξης: συνεχής λειτουργία.

Το πρόγραμμα ονομάστηκε από το όρος Wendelstein στην Βαυαρία στα τέλη της δεκαετίας του 1950. Είναι αναφορά στο προγενέστερο πρόγραμμα του Πανεπιστημίου Πρίνστον, το Πρόγραμμα Μάττερχορν.

Οι ερευνητικές εγκαταστάσεις αποτελούν συνεργατικό πρόγραμμα με το Πανεπιστήμιο του Γκράιφσβαλντ.

 Σχέδιο και κύρια μέρη 
Η συσκευή Wendelstein 7-X βασίζεται σε μια διαμόρφωση Helias πέντε περιοδικών πεδίων. Είναι τοροειδής, αποτελούμενη από 50 μη επίπεδα και 20 επίπεδα υπεραγώγιμα μαγνητικά πηνία, ύψους 3,5 μέτρων, τα οποία παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο το οποίο αποτρέπει το πλάσμα από το να συγκρουστεί με τα τοιχώματα του αντιδραστήρα. Τα 50 μη επίπεδα πηνία χρησιμοποιούνται για την ρύθμιση του μαγνητικού αυτού πεδίου. Ο στόχος είναι η πυκνότητα του πλάσματος να φτάσει τα 3×1020 σωματίδια ανά κυβικό μέτρο και η θερμοκρασία του να κυμαίνεται από 60 ως 130 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν.

Τα κύρια μέρη είναι τα μαγνητικά πηνία, ο κρυοστάτης, το δοχείο πλάσματος, ο εκτροπέας και τα συστήματα θέρμανσης.

Τα πηνία (NbTi σε αλουμίνιο) είναι διευθετημένα γύρω από μια θερμομονωτική επένδυση διαμέτρου 16 μέτρων, καλούμενη κρυοστάτης. Η συσκευή ψύξης παράγει αρκετό υγρό ήλιο για την ψύξη των μαγνητών και του περιβλήματός τους (περίπου 425 μετρικοί τόνοι «ψυχρής μάζας») σε θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας (4 K). Τα πηνία διαρρέονται από ρεύμα 12,8 kA και δημιουργούν πεδίο μέχρι 3 Τέσλα.

Το δοχείο πλάσματος, κατασκευασμένο από 20 μέρη, βρίσκεται στο εσωτερικό, διευθετημένο στο πολύπλοκο σχήμα του μαγνητικού πεδίου. Έχει 254 θύρες (τρύπες) για την θέρμανση του πλάσματος και για διάγνωση μέσω παρατήρησης. Η όλη πηγή ενέργειας είναι κατασκευασμένη από πέντε σχεδόν όμοιες μονάδες, οι οποίες ενώθηκαν στην ερευνητική αίθουσα.

Το σύστημα θέρμανσης μπορεί να αποδώσει 10 MW μικροκυμάτων για Θέρμανση Συντονισμού Ηλεκτρονίων Κυκλότρου (ECRH), για 10 s, και μπορεί να παράγει 1 MW για 50 s κατά την διάρκεια της φάσης λειτουργίας 1 (operational phase 1, OP-1). Για την φάση λειτουργίας 2 (OP-2), μετά την ολοκλήρωση της πλήρους θωράκισης/υδρόψυξης, μέχρι 8 MW ένεσης ουδέτερης δέσμης μπορούν να είναι διαθέσιμα για 10 s, ενώ το σύστημα μικροκυμάτων θα επεκταθεί σε πραγματική σταθερή κατάσταση (30 λεπτά). Ένα σύστημα Θέρμανσης Συντονισμού Ιόντων Κυκλότρου (ICRH) θα γίνει διαθέσιμο για την λειτουργία Φυσικής στην OP1.2.

Ένα σύστημα αισθητήρων και ανιχνευτών βασισμένων σε μια ποικιλία συμπληρωματικών τεχνολογιών θα μετρούν βασικές ιδιότητες του πλάσματος, συμπεριλαμβανομένων των προφίλ της πυκνότητας ηλεκτρονίων και της θερμοκρασίας ηλεκτρονίων και ιόντων, καθώς και των προφίλ σημαντικών προσμίξεων πλάσματος και του ακτινικού ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο προκύπτει από την μεταφορά των ηλεκτρονίων και των σωματιδιακών ιόντων.

 Ιστορία 
Η διαπραγμάτευση για την γερμανική συμφωνία χρηματοδότησης πραγματοποιήθηκε το 1994, με αποτέλεσμα την ίδρυση του Τμήματος Γκράιφσβαλντ του IPP στην βορειοανατολική περιοχή της πρόσφατα επανενωμένης Λαοκρατικής Δημοκρατίας της Γερμανίας. Το νέο κτήριο ολοκληρώθηκε το 2000.  Η κατασκευή του αντιδραστήρα αρχικώς αναμενόταν να ολοκληρωθεί το 2006. Η συναρμολόγηση ξεκίνησε τον Απρίλιο του 2005. Προβλήματα με τα πηνία χρειάστηκαν 3 έτη για να επισκευαστούν. Το χρονοδιάγραμμα μετατέθηκε στα τέλη του 2015.

Ένας συνασπισμός τριών αμερικανικών εργαστηρίων (Πρίνστον, Όουκ Ριντζ και Λος Άλαμος) έγινε εταίρος του εγχειρήματος, πληρώνοντας 7,5 εκατομμύρια ευρώ σε αναμενόμενο σύνολο κόστους 1,06 δισεκατομμυρίων ευρώ. Το 2012, το Πανεπιστήμιο Πρίνστον και η Εταιρεία Μαξ Πλανκ ανακοίνωσαν έναν νέο κοινό ερευνητικό κέντρο φυσικής πλάσματος, για την συμπερίληψη έρευνας για τον W7-X.

Το τέλος της κατασκευαστικής φάσης σηματοδοτήθηκε επίσημα από μια τελετή εγκαινίων στις 20 Μαΐου του 2014. Μετά από μια περίοδο ελέγχων για διαρροές στο δοχείο πλάσματος, η οποία ξεκίνησε το καλοκαίρι του 2014, ο κρυοστάτης εκκενώθηκε, και οι δοκιμές των μαγνητών ολοκληρώθηκαν τον Ιούλιο του 2015.

Ο αντιδραστήρας παρήγαγε επιτυχώς πλάσμα ηλίου (με θερμοκρασίες περίπου ) για περίπου  στις 10 Δεκεμβρίου 2015. Για αυτήν την αρχική δοκιμή, με περίπου  αερίου ηλίου το οποίο τοποθετήθηκε με ένεση στο εκκενωμένο δοχείο πλάσματος, εφαρμόστηκε μικροκυματική θέρμανση με έναν σύντομο παλμό .

Περισσότερες από 300 αποφορτίσεις με ήλιο πραγματοποιήθηκαν τον Δεκέμβριο και τον Ιανουάριο, με συνεχώς αυξανόμενες θερμοκρασίες, οι οποίες τελικώς έφτασαν τους έξι εκατομμύρια βαθμούς, ώστε να καθαριστούν τα τοιχώματα του δοχείου και να δοκιμαστούν τα διαγνωστικά συστήματα πλάσματος. Έπειτα στις 3 Φεβρουαρίου 2016 ξεκίνησε η φάση λειτουργίας 1 (OP-1), με παραγωγή του πρώτου πλάσματος υδρογόνου για την εκκίνηση του επιστημονικού προγράμματος.  Ένας μικροκυματικός παλμός  είχε ως αποτέλεσμα επίτευξη θερμοκρασίας  με χρόνο ζωής ¼ του δευτερολέπτου, εκπληρώνοντας όλες τις προσδοκίες.  Τέτοιες δοκιμές σχεδιάζονται να συνεχίσουν για περίπου ένα μήνα, ακολουθούμενες από ένα προγραμματισμένο τερματισμό λειτουργίας ώστε να ανοιχθεί το δοχείο κενού και να εγκατασταθούν προστατευτικά πλακίδια άνθρακα, καθώς και ένας «εκτροπέας» για την αφαίρεση προσμίξεων από το πλάσμα. Έπειτα το επιστημονικό πρόγραμμα θα συνεχισθεί με σταδιακή αύξησης της ισχύος και διάρκειας των αποφορτίσεων.

 Χρηματοδότηση 
Το εγχείρημα χρηματοδοτείται στο 80% του από το Γερμανικό κράτος και στο 20% του από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Η Γερμανική χρηματοδότηση προέρχεται σε αναλογία 9:1 από την ομοσπονδιακή κυβέρνηση και από το κρατίδιο Μεκλεμβούργο-Δυτική Πομερανία. Η συνολική επένδυση για τον ίδιο τον αντιδραστήρα την 18χρονη περίοδο 1997–2014 ανήλθε στα 370 εκατομμύρια ευρώ, ενώ το συνολικό κόστος για τις εγκαταστάσεις του IPP στο Γκράιφσβαλντ, συμπεριλαμβανομένων της επένδυσης και των εξόδων λειτουργίας (προσωπικό και υλικοί πόροι) ανήλθε στα 1,06 εκατομμύρια ευρώ. Ο προϋπολογισμός υπερκεράστηκε κυρίως λόγω της επέκτασης της αρχικής φάσης ανάπτυξη, διπλασιάζοντας τα έξοδα προσωπικού.

Τον Ιούλιο του 2011, ο Πρόεδρος της Εταιρείας Μαξ Πλανκy, Πίτερ Γκρους, ανακοίνωσε ότι οι Ηνωμένες Πολιτείες θα συνείσφεραν 7,5 εκατομμύρια υπό το πρόγραμμα «Καινοτόμες Προσεγγίσεις στην Σύντηξη» του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

 Συνεργαζόμενα ινστιτούτα 

 Γερμανία 
 Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου
 Πανεπιστήμιο του Γκράιφσβαλντ
 Ερευνητικό Κέντρο Jülich
 Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης
 Ινστιτούτο για την Διεπιφανειακή Μηχανική Διεργασιών και την Τεχνολογία Πλάσματος (Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie, IGVP) στο Πανεπιστήμιο της Στουτγκάρδης
 Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνικής Φυσικής (Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

 Ευρώπη 
 Επιτροπή για την ατομική ενέργεια και τις εναλλακτικές πηγές ενέργειας (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, CEA), Γαλλία
 Κέντρο Έρευνας για την Ενέργεια, το Περιβάλλον και την Τεχνολογία (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, CIEMAT), Ισπανία
 Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Κρακοβίας (Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk) και Εθνικό Κέντρο Πυρηνικής Έρευνας (Narodowe Centrum Badań Jądrowych), Πολωνία
 Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος και Μικροσύντηξης Λέιζερ (Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy), Βαρσοβία, Πολωνία
 Ερευνητικό Ινστιτούτο KFKI για την Σωματιδιακή και Πυρηνική Φυσική (MTA Központi Fizikai Kutatóintézet), Ουγγαρία
 Trilateral Euregio Cluster'', Γερμανία, Βέλγιο και Κάτω Χώρες

Ηνωμένες Πολιτείες 
 Εθνικό Εργαστήριο Λος Άλαμος
 Εθνικό Εργαστήριο Όουκ Ριντζ
 Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος Πρίνστον
 Πανεπιστήμιο Ουισκόνσιν-Μάντισον

Ιαπωνία 
 Εθνικό Ινστιτούτο για την Επιστήμη της Σύντηξης

Δείτε επίσης 
 Παρόμοιοι stellarators:
 Μεγάλη Ελικοειδής Συσκευή, Ιαπωνία, Ήλιοτρον, υπεραγώγιμη, 1998 ως σήμερα.
 Ελικοειδώς Συμμετρικό Πείραμα, ΗΠΑ, Ημιελικοειδώς Συμμετρικό.
 Εθνικό Συμπαγές Πείραμα Stellarator, διαμόρφωση Helias τριών περιοδικών πεδίων, είχε παρόμοια προβλήματα στα πηνία, η κατασκευή ανεστάλη το 2008.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

 Wendelstein 7-X – Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Φυσική Πλάσματος
 

Φυσική πλάσματος
Πυρηνική σύντηξη
Επιστήμες και τεχνολογία στη Γερμανία
Πυρηνικοί αντιδραστήρες