Wendelstein 7-X — крупнейший в мире термоядерный реактор типа стелларатор, который осуществляет управляемый термоядерный синтез. Экспериментальная установка причудливой формы построена в Институте Макса Планка по физике плазмы в Грайсвальде для проверки использования такого типа устройств в качестве термоядерной энергостанции. По некоторым прогнозам, к 2100 году потребление энергии на Земле увеличится примерно в 6 раз. Отдельные специалисты считают, что только термоядерная энергетика способна удовлетворить растущие потребности человечества в энергии.
1 грамм водородного топлива (дейтерий и тритий) в такой установке производит 90 000 кВт⋅ ч энергии, что эквивалентно сжиганию 11 тонн угля.

Термоядерная энергетика

По мнению экономистов и футурологов, человечеству крайне необходим надёжный и мощный источник энергии. Запасы углеводородов в мире ограничены. Если энергопотребление вырастет в шесть раз к 2100 году, то энергосистема нуждается в реформировании и реструктуризации, и чем быстрее — тем лучше. Термоядерная энергетика представляется хорошим вариантом решения проблемы.

Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В синтезе из лёгких ядер синтезируются тяжёлые. В отличие от цепной ядерной реакции, ядерный синтез носит управляемый характер.

Вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине 20 века, тогда же появились концепции первых реакторов для управляемого термоядерного синтеза, в том числе токамаков и стеллараторов.

До последнего времени учёным не удавалось преодолеть технологические проблемы для доказательства, что управляемый термоядерный синтез действительно можно использовать на практике и такие энергостанции будут рентабельными. Доказать этот факт должны экспериментальные реакторы ITER и Wendelstein 7-X.
Стеллараторы

В термоядерном реакторе топливо помещается внутрь магнитного поля и разогревается до температуры около 100 миллионов градусов по Цельсию, при которой проходит стабильная управляемая реакция ядерного синтеза.

Стелларатор — 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 астрофизиком Лайманом Спитцером в 1958 году. Первый образец построен под руководством Спитцера в 1959 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн», который в 1961 году после рассекречивания переименовали в лабораторию физики плазмы Принстонского университета.

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.

Стеллараторы были популярны в 50-х и 60-х годах, но затем внимание научного сообщества переключилось на токамаки, которые показывали более обнадёживающие результаты. Всё изменилось в 21 веке. В связи с мощным развитием компьютерных технологий и компьютерных графических программ была оптимизирована магнитная система стелларатора. В результате появилась совершенно новая конфигурация вращательного преобразования не с двумя обмотками, как во всех предыдущих конструкциях стелларатора, а всего с одной обмоткой. Правда, это обмотка очень хитрой формы.

Форма стелларатора была смоделирована на компьютере, все векторы просчитаны и выверены. Оставался только вопрос: смогут ли инженеры воплотить теорию в жизнь — и на самом деле вылить из металла стелларатор такой необычной формы. Сразу стало ясно, что проект обойдётся очень дорого (по итогу строительство самого стелларатора обошлось в 370 млн евро, а вместе со зданием, зарплатами и другими расходами — 1,08 млрд евро; 80% финансирования взяла на себя Германия, 20% — Евросоюз). Но ставки высоки: источник энергии от термоядерного синтеза сулит революцию в мировой энергетике. Поэтому инженеры приступили к работе.

Сборка стелларатора Wendelstein 7-X

Сборку стелларатора вели с апреля 2005 года по апрель 2014 года. За девять лет строительства на объект ушло 1,1 миллиона человеко-часов работы. Затем началась техническая подготовка к эксперименту. Проверялась каждая техническая система: вакуумные сосуды, система охлаждения, сверхпроводящие катушки и их магнитное поле, система управления, а также нагревательные приборы и измерительные инструменты.

10 декабря 2015 года состоялось историческое событие: в Институте Макса Планка по физике плазмы (IPP) в Грайсвальде впервые был запущен экспериментальный стелларатор Wendelstein 7-X.

Операторы стелларатора подали команду на генерацию магнитного поля и запустили компьютерную систему управления экспериментом. Они подали около одного миллиграмма гелия в плазменный отсек, включили СВЧ-нагрев для короткого 1,3-мегаваттного импульса — и первую плазму зарегистрировали установленные камеры и измерительные приборы. Первая плазма сохраняла стабильное состояние 0,1 секунды и достигла температуры около миллиона градусов по Цельсию.