Šta je tokamak? Termonuklearni reaktor će otvoriti novu eru za čovječanstvo. Tehnokratski pokret Instalacija Tokamaka

uređaj za izvođenje reakcije termonuklearne fuzije u vrućoj plazmi u kvazi-stacionarnom režimu, pri čemu se plazma stvara u toroidnoj komori i stabilizuje magnetnim poljem. Svrha instalacije je pretvaranje intranuklearne energije u toplinu, a zatim u električnu. Sama riječ "tokamak" je skraćenica za naziv "toroidalna magnetna komora", ali su kreatori instalacije "g" na kraju zamijenili s "k" kako ne bi izazivali asocijacije na nešto magično.

Čovjek dobiva atomsku energiju (i u reaktoru i u bombi) dijeljenjem jezgra teških elemenata na lakše. Energija po nukleonu je maksimalna za gvožđe (tzv. „maksimum gvožđa“), i od tada maksimum u sredini, tada će se energija oslobađati ne samo pri raspadu teških elemenata, već i pri kombinaciji lakih elemenata. Ovaj proces se naziva termonuklearna fuzija i odvija se u hidrogenskoj bombi i fuzijskom reaktoru. Postoje mnoge poznate termonuklearne reakcije i reakcije fuzije. Izvor energije mogu biti oni za koje postoji jeftino gorivo, a moguća su dva fundamentalno različita načina pokretanja fuzijske reakcije.

Prvi način je "eksplozivan": dio energije se troši na dovođenje vrlo male količine tvari u potrebno početno stanje, dolazi do reakcije sinteze, a oslobođena energija se pretvara u pogodan oblik. Zapravo, ovo je hidrogenska bomba, teška samo miligram. Atomska bomba se ne može koristiti kao izvor početne energije, nije “mala”. Stoga se pretpostavljalo da će milimetarska tableta deuterijum-tricijumskog leda (ili staklena kugla sa komprimovanom mešavinom deuterijuma i tricijuma) biti ozračena sa svih strana laserskim impulsima. Gustoća energije na površini mora biti takva da se gornji sloj tablete, koji se pretvorio u plazmu, zagrije do temperature na kojoj pritisak na unutrašnje slojeve i zagrijavanje unutrašnjih slojeva same tablete postaju dovoljni za reakcija sinteze. U tom slučaju puls mora biti toliko kratak da tvar, koja se u nanosekundi pretvorila u plazmu s temperaturom od deset miliona stepeni, nema vremena da se razleti, već pritisne unutrašnjost tablete. Ova unutrašnjost je komprimirana do gustine sto puta veće od gustine čvrstih tijela i zagrijana na sto miliona stepeni.

Drugi način. Polazne tvari se mogu zagrijavati relativno sporo - pretvorit će se u plazmu, a zatim se u nju može unijeti energija na bilo koji način, sve dok se ne steknu uvjeti za početak reakcije. Da bi se termonuklearna reakcija odvijala u mješavini deuterija i tricija i da bi se dobio pozitivan energetski izlaz (kada je energija oslobođena kao rezultat termonuklearne reakcije veća od energije utrošene na ovu reakciju), potrebno je stvoriti plazmu sa gustinom od najmanje 10 14 čestica/cm 3 (10 5 atm.), i zagrejati je na približno 10 9 stepeni, dok plazma postaje potpuno jonizovana.

Takvo zagrijavanje je neophodno kako bi se jezgre mogle približiti jedna drugoj, uprkos Kulonovom odbijanju. Može se pokazati da se za dobijanje energije ovo stanje mora održati najmanje sekundu (tzv. „Losonov kriterijum“). Preciznija formulacija Lawsonovog kriterija: proizvod koncentracije i vremena održavanja ovog stanja trebao bi biti reda veličine 10 15 cm cm 3. Glavni problem je stabilnost plazme: u sekundi će imati vremena da se proširi mnogo puta, dodirne zidove komore i ohladi.

Međunarodna zajednica je 2006. godine započela izgradnju pokaznog reaktora. Ovaj reaktor neće biti pravi izvor energije, ali je projektovan tako da će se nakon njega, ako sve bude u redu, moći krenuti u izgradnju „energetskih“, tj. termonuklearni reaktori namijenjeni za uključivanje u elektroenergetsku mrežu. Najveći fizički projekti (akceleratori, radio teleskopi, svemirske stanice) postaju toliko skupi da se razmatranje dvije opcije ispostavlja nepriuštivim čak i za čovječanstvo koje je ujedinilo svoje napore, pa se mora napraviti izbor.

Početak rada na kontrolisanoj termonuklearnoj fuziji treba datirati u 1950. godinu, kada su I. E. Tamm i A. D. Sakharov došli do zaključka da se kontrolisana termonuklearna fuzija (CTF) može realizovati pomoću magnetnog zatvaranja vruće plazme. U početnoj fazi, rad u našoj zemlji odvijao se na Institutu Kurchatov pod vodstvom L.A. Artsimovicha. Glavni problemi se mogu podijeliti u dvije grupe: problemi nestabilnosti plazme i tehnološki problemi (čisti vakuum, otpornost na zračenje itd.) Prvi tokamaci nastali su 1954-1960. godine, sada je u svijetu izgrađeno više od 100 tokamaka. Šezdesetih godina prošlog vijeka pokazalo se da samo zagrijavanje prolaznom strujom („omsko zagrijavanje“) ne može dovesti plazmu do temperature fuzije. Činilo se da je najprirodniji način povećanja energetskog sadržaja plazme metoda eksternog ubrizgavanja brzih neutralnih čestica (atoma), ali je tek 1970-ih postignut neophodan tehnički nivo i izvedeni su pravi eksperimenti pomoću injektora. Danas se najperspektivnijim smatra zagrijavanje neutralnih čestica injekcijom i elektromagnetnim zračenjem u mikrovalnom opsegu. Institut Kurčatov je 1988. godine izgradio predreaktorski tokamak T-15 sa supravodljivim namotajima. Od 1956. godine, kada je tokom posjete N. S. Hruščova Velikoj Britaniji I. V. Kurčatov najavio implementaciju ovih radova u SSSR-u. Rad u ovoj oblasti zajednički provodi nekoliko zemalja. 1988. SSSR, SAD, Evropska unija i Japan započeli su projektiranje prvog eksperimentalnog reaktora tokamak (instalacija će biti izgrađena u Francuskoj).

Dimenzije projektovanog reaktora su 30 metara u prečniku i 30 metara u visini. Očekivani rok izgradnje ove instalacije je osam godina, a radni vek 25 godina. Zapremina plazme u instalaciji je oko 850 kubnih metara. Struja plazme 15 megaampera. Termonuklearna snaga instalacije je 500 megavata i održava se 400 sekundi. U budućnosti se očekuje povećanje ovog vremena na 3000 sekundi, što će omogućiti izvođenje prvih pravih studija fizike termonuklearne fuzije (“termonuklearnog sagorijevanja”) u plazmi u reaktoru ITER.

Lukyanov S.Yu. Vruća plazma i kontrolirana nuklearna fuzija. M., Nauka, 1975
Artsimovich L.A., Sagdeev R.Z. Fizika plazme za fizičare. M., Atomizdat, 1979
Hegler M., Christiansen M. Uvod u kontroliranu fuziju. M., Mir, 1980
Killeen J. Kontrolisana termonuklearna fuzija. M., Mir, 1980
Boyko V.I. Kontrolirana termonuklearna fuzija i problemi inercijalne termonuklearne fuzije. Soros obrazovni magazin. 1999, broj 6

TOKAMAK(skraćeno od "toroidalna komora s magnetnim zavojnicama") - uređaj za održavanje visokih temperatura pomoću jakog magneta. polja. Ideju T. izrazili su 1950. akademici I. E. Tamm i A. D. Saharov; prvi eksperimenti Istraživanje ovih sistema počelo je 1956. godine.

Princip rada uređaja je jasan sa Sl. 1. Plazma se stvara u toroidalnoj vakuumskoj komori, koja služi kao jedini zatvoreni zavoj sekundarnog namota transformatora. Prilikom prolaska struje koja se vremenom povećava u primarnom namotu transformatora 1 unutar vakuumske komore 5 stvara se vrtložna uzdužna električna sila. polje. Kada početni plin nije jako velik (obično se koristi vodonik ili njegovi izotopi), dolazi do njegove električne energije. slom i vakuumska komora se napuni plazmom uz naknadno povećanje velike uzdužne struje Ip. U modernom veliki T. struja u plazmi je nekoliko. miliona ampera. Ova struja stvara vlastito poloidno (u ravnini poprečnog presjeka plazme) magnetno polje. polje IN q. Osim toga, jak uzdužni magnet se koristi za stabilizaciju plazme. polje B f, kreiran pomoću posebne namotaji toroidnog magneta. polja. To je kombinacija toroidnih i polidalnih magneta. polja osigurava stabilno zadržavanje visokotemperaturne plazme (vidi. Toroidni sistemi), neophodno za implementaciju kontrolisane termonuklearne fuzije.

Rice. 1. Tokamak dijagram: 1 - primarni namotaj transformatter; 2 - zavojnice toroidnog magnetnog polja; 3 - obloga, unutrašnja komora tankih zidova za graviranjesmanjenje toroidnog električnog polja; 4 - kolutki poloidno magnetno polje; 5 - vakuum kamera; b-gvozdeno jezgro (magnetno jezgro).

Ograničenja rada. Magn. T polje prilično dobro drži visokotemperaturnu plazmu, ali samo u određenim granicama promjene njenih parametara. Prva 2 ograničenja odnose se na struju plazme Ip i njen cf. gustina P, izraženo u jedinicama za broj čestica (elektrona ili jona) po 1 m 3. Ispada da za datu vrijednost toroidnog magneta. polju, struja plazme ne može premašiti određenu graničnu vrijednost, inače plazma kabel počinje da se uvija duž spiralne linije i na kraju kolabira: tzv. nestabilnost strujnog prekida. Za karakterizaciju granične struje koristi se koeficijent. dionica q nestabilnošću vijka, određenom relacijom q = 5B j a 2 /RI str. Evo A- mali, R- veliki radijus plazma kabla, B j - toroidni mag. polje, Ip- struja u plazmi (dimenzije se mjere u metrima, magnetno polje - u teslasima, struja - u MA). Neophodan uslov za stabilnost plazma stuba je nejednakost q>], tzv. k r i t e r i m K r u-s k a la - Šafranova. Eksperimenti pokazuju da se pouzdano stabilan režim držanja postiže samo pri vrijednostima od .

Postoje 2 granice za gustinu - donja i gornja. Niže Granica gustine povezana je sa formiranjem tzv. ubrzano, ili odbjegli elektroni. Pri niskim gustoćama, frekvencija sudara elektrona sa ionima postaje nedovoljna da spriječi njihov prijelaz u mod kontinuiranog ubrzanja u uzdužnom električnom polju. polje. Elektroni ubrzani do visokih energija mogu predstavljati opasnost za elemente vakuumske komore, pa je gustina plazme odabrana tako visoka da nema ubrzanih elektrona. S druge strane, pri dovoljno velikoj gustoći, režim zadržavanja plazme ponovo postaje nestabilan zbog zračenja i atomskih procesa na granici plazme, što dovodi do sužavanja strujnog kanala i razvoja spiralne nestabilnosti plazme. Top. granicu gustine karakteriziraju bezdimenzionalni parametri My-Cracfish M=nR/B j i hugella H=nqR/B j (ovde usrednjena poprečnom presjeku je gustina elektrona n mjereno u jedinicama od 10 20 čestica/m 3). Za stabilno zadržavanje plazme potrebno je da brojevi M I H nije prešao određene kritične vrijednosti.

Kada se plazma zagreje i njen pritisak raste, pojavljuje se druga granica koja karakteriše maksimalnu stabilnu vrednost pritiska plazme, p = n(T e +T i), Gdje T e, T i-elektronske i jonske temperature. Ovo ograničenje nameće se vrijednosti b jednakoj omjeru cf. pritisak plazme u magnetni pritisak. polja; pojednostavljeni izraz za graničnu vrijednost b je dat Trojonovom relacijom b c =gI p /aB j, gde g-brojčani faktor jednak približno 3. 10 -2.

Toplotna izolacija. Mogućnost zagrijavanja plazme na vrlo visoke temperature je zbog činjenice da je u jakom magnetnom polju. polje trajektorije punjenja čestice izgledaju kao spirale namotane na magnetsku liniju. polja. Zahvaljujući tome, elektroni i ioni se dugo zadržavaju unutar plazme. I to samo zbog sudara i malih električnih fluktuacija. i mag. polja, energija ovih čestica može se prenijeti na zidove u obliku toplotnog toka. Ti isti mehanizmi određuju veličinu difuzijskih tokova. Magnetna efikasnost toplotnu izolaciju plazme karakteriše energija. životni vijek t E = W/P, Gdje W-ukupni energetski sadržaj plazme, a P- snaga grijanja plazme potrebna za održavanje u stacionarnom stanju. Vrijednost t E se također može smatrati karakterističnim vremenom hlađenja plazme ako se snaga grijanja iznenada isključi. U mirnoj plazmi, tokovi čestica i topline prema zidovima komore nastaju zbog sudara u paru elektrona i jona. Ovi tokovi su izračunati teoretski uzimajući u obzir realne trajektorije naelektrisanja. čestica po mag. polje T. Odgovarajuća teorija difuzijskih procesa naziva se. neoklasicizam (vidi Migracijski procesi U realnoj plazmi T. uvijek postoje male fluktuacije polja i tokova čestica, stoga stvarni nivoi topline i tokova čestica obično značajno premašuju predviđanja neoklasičnih. teorije.

Eksperimenti izvedeni na mnogim T. decomp. oblika i veličina, omogućilo je sumiranje rezultata istraživanja mehanizama prijenosa u obliku odgovarajućih empirijskih studija. zavisnosti. Konkretno, pronađene su energetske zavisnosti. životni vijek t E od glavnog parametri plazme za dekom. hold mod. Ove zavisnosti se nazivaju s k e l i n g a m i; uspješno se koriste za predviđanje parametara plazme u novopuštenim instalacijama.

Samoorganizacija plazme. U plazmi T. uvijek postoje slabo nelinearne, koje utiču na profile raspodjele temperature, gustine čestica i gustine struje duž radijusa, kao da ih kontrolišu. Posebno do centra. područja plazma vrpce vrlo često su prisutne tzv. pilastih oscilacija, koje odražavaju periodično ponavljajući proces postepene egzacerbacije, a zatim oštrog izravnavanja temperaturnog profila. Oscilacije u obliku rampe sprečavaju kontrakciju struje do magneta. os torusa (vidi kontrakcija gasnog pražnjenja). Osim toga, kod T. se s vremena na vrijeme pobuđuju spiralni modovi (tzv. t i r i n g modovi), koji se opažaju izvan vrpce u obliku niskofrekventnih magnetskih valova. oklevanje. Zamorni načini rada doprinose uspostavljanju stabilnije distribucije gustine struje duž radijusa. Ako se plazmom rukuje nedovoljno pažljivo, načini kidanja mogu postati toliko jaki da magnetni poremećaji koje oni uzrokuju mogu polja uništavaju magnete. površine po cijelom volumenu plazma kabela, magnetne. konfiguracija je uništena, energija plazme se oslobađa na zidove i struja u plazmi prestaje zbog njenog snažnog hlađenja (vidi. Nestabilnost kidanja).

Pored ovih volumetrijskih oscilacija, postoje modovi oscilovanja lokalizovani na granici stuba plazme. Ovi modovi su vrlo osjetljivi na stanje plazme na samoj periferiji, njihovo ponašanje je komplikovano atomskim procesima. Ext. i interni Vibracioni modovi mogu snažno uticati na procese prenosa toplote i čestica, dovode do mogućnosti prelaska plazme iz jednog magnetnog moda. termo izolaciju do drugog i nazad. Ako je u plazmi T. distribucija brzina čestica vrlo različita od , tada se javlja mogućnost razvoja kinetike. nestabilnosti. Na primjer, sa rođenjem velikog broja odbjeglih elektrona, tzv nestabilnost ventilatora, što dovodi do transformacije longitudinalne energije elektrona u transverzalnu energiju. Kinetic. nestabilnosti se takođe razvijaju u prisustvu jona visoke energije koji nastaju kada su komplementarni. zagrevanje plazme.

Plazma grijanje. Plazma bilo kojeg T.-a se automatski zagrijava zbog Joule topline od struje koja teče kroz njega. Oslobađanje džulove energije dovoljno je da se dobije temperatura od nekoliko. miliona stepeni Za potrebe kontrolisane termonuklearne fuzije potrebne su temperature >10 8 K, stoga su svi veliki T. dopunjeni moćnim sistemima grejanje plazmom. U tu svrhu koriste se ili električni magneti. talasi raspadnuti raspona, ili usmjeriti brze čestice u plazmu. Za visokofrekventno grijanje plazme pogodno je koristiti rezonancije koje odgovaraju internim. oscilirati procesa u plazmi. Na primjer, pogodno je zagrijati ionsku komponentu u opsegu harmonika ciklotronskih frekvencija ili osnovnih. joni plazme, ili posebno odabrani aditivni joni. Elektroni se zagrijavaju elektronskom ciklotronskom rezonancom.

Prilikom zagrijavanja iona brzim česticama obično se koriste snažni snopovi neutralnih atoma. Takve zrake ne stupaju u interakciju s magnetizmom. polja i prodiru duboko u plazmu, gdje se jonizuju i hvataju magnetizmom. polje T.

Uz pomoć dodatnih metoda zagrijavanja moguće je podići temperaturu plazme T. na >3·10 8 K, što je sasvim dovoljno da dođe do snažne termonuklearne reakcije. U budućim T.-reaktorima koji se razvijaju, zagrijavanje plazme će se vršiti visokoenergetskim alfa česticama koje nastaju reakcijom fuzije jezgri deuterija i tricijuma.

Stacionarni tokamak. Tipično, struja teče u plazmi samo u prisustvu vrtložne električne struje. polje koje nastaje povećanjem magnetnog polja. protok u induktoru. Induktivni mehanizam za održavanje struje je vremenski ograničen, pa je odgovarajući način zadržavanja plazme pulsiran. Međutim, pulsni način rada nije jedini mogući; zagrijavanje plazme može se koristiti i za održavanje struje ako se, uz energiju, na plazmu prenese i impuls koji je različit za različite komponente plazme. Neinduktivno održavanje struje je olakšano zbog stvaranja struje od strane same plazme tokom njenog difuzionog širenja prema zidovima (bootstrap efekat). Bootstrap efekat su predvideli neoklasični naučnici. teoriju i potom eksperimentalno potvrđen. Eksperimenti pokazuju da plazma T. može biti stacionirana, a Ch. nastojanja da se praktično razvoj stacionarnog režima imaju za cilj povećanje efikasnosti tekućeg održavanja.

Preusmjerivač, kontrola nečistoća. Za potrebe kontrolirane termonuklearne fuzije potrebna je vrlo čista plazma na bazi izotopa vodika. Da bi se ograničila primjesa drugih jona u plazmi, u ranoj T. plazma je bila ograničena na tzv. l i m i t e r o m (sl. 2, A), tj. dijafragma koja sprečava da plazma dođe u kontakt sa velikom površinom komore. U modernom T. koristi se mnogo složenija konfiguracija divertora (slika 2, b), stvoren poloidnim magnetnim zavojnicama. polja. Ove zavojnice su neophodne čak i za plazmu okruglog presjeka: uz njihovu pomoć stvara se vertikalna magnetna komponenta. polja, ivice pri interakciji sa glavnim. struja plazme ne dozvoljava da se plazma zavojnica baci na zid u pravcu velikog radijusa. U konfiguraciji divertora, zavoji poloidnog magneta. polja su locirana tako da je poprečni presjek plazme izdužen u vertikalnom smjeru. U isto vrijeme, zatvoreno magnetno površine su očuvane samo iznutra; spolja, njegove linije sile idu unutar divertorskih komora, gdje se neutraliziraju tokovi plazme koji teku s glavne površine. volumen. U divertorskim komorama je moguće ublažiti opterećenje plazme na divertorskim pločama zbog dodavanja. hlađenje plazme tokom atomskih interakcija.

Rice. 2. Poprečni presjek plazme kružnog presjeka ( A) i vertikalno izduženi da formiraju konfiguraciju divertora ( 6): 1-plazma; 2- limiter; 3 - zid komore; 4 - separator; 5-divertorska komora; 6 - preklopne ploče.

Tokamak reaktor. Ch. Cilj istraživanja na T. instalacijama je savladavanje koncepta magnetnog. Zadržavanje plazme za stvorenja fuzijski reaktor. Na T. je moguće stvoriti stabilnu visokotemperaturnu plazmu sa temperaturom i gustinom dovoljnim za termonuklearni reaktor; uspostavljeni su zakoni za toplotnu izolaciju plazme; savladavaju se metode održavanja struje i kontrole nivoa nečistoća. Rad na T. pomiče se iz čisto fizičke faze. istraživanja u fazi kreiranja eksperimenata. .

Lit.: Artsimovich L. A., Managed, 2. izd., M., 1963; Lukyanov S. Yu., Vruća plazma i kontrolirana nuklearna fuzija, M., 1975; Kadomcev B.V., Tokamak plazma složeni fizički sistem, L., 1992. B. B. Kadomcev.

Tokamak (toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama) je toroidalna instalacija za magnetno ograničavanje plazme kako bi se postigli uslovi neophodni za kontrolu kontrolisane termonuklearne fuzije. Plazmu u tokamaku ne drže zidovi komore, koji mogu izdržati njenu temperaturu samo do određene granice, već posebno stvoreno magnetsko polje. U usporedbi s drugim instalacijama koje koriste magnetno polje za ograničavanje plazme, karakteristika tokamaka je korištenje električne struje koja teče kroz plazmu kako bi se stvorilo poloidno polje potrebno za kompresiju, zagrijavanje i održavanje ravnoteže plazme. Ovo se posebno razlikuje od stelaratora, koji je jedna od alternativnih shema zatvaranja u kojoj se i toroidna i poloidna polja stvaraju pomoću magnetnih zavojnica. No, budući da je plazma filament primjer nestabilne ravnoteže, projekt tokamaka još nije implementiran i u fazi je izuzetno skupih eksperimenata koji bi zakomplikovali instalaciju.

Također treba napomenuti da se, za razliku od fisijskih reaktora (od kojih je svaki u početku projektiran i razvijen zasebno u svojim zemljama), tokamak trenutno zajednički razvija u okviru međunarodnog naučnog projekta ITER.

Magnetno polje i fluks Tokamaka.

Priča

SSSR poštanska marka, 1987.

Prijedlog za korištenje kontrolirane termonuklearne fuzije u industrijske svrhe i specifičnu shemu koja koristi toplinsku izolaciju visokotemperaturne plazme električnim poljem prvi je formulirao sovjetski fizičar O. A. Lavrentijev u radu sredinom 1950-ih. Ovaj rad je poslužio kao katalizator za sovjetsko istraživanje o problemu kontrolirane termonuklearne fuzije. A.D. Saharov i I.E. Tamm su 1951. godine predložili modifikaciju sheme, predlažući teorijsku osnovu za termonuklearni reaktor, gdje bi plazma imala oblik torusa i bila bi zatvorena magnetnim poljem.

Termin "tokamak" kasnije je skovao Igor Nikolajevič Golovin, učenik akademika Kurčatova. U početku je zvučalo kao "tokamag" - skraćenica za riječi "toroidalna magnetna komora", ali N.A. Yavlinsky, autor prvog toroidnog sistema, predložio je zamjenu "-mag" sa "-mac" za eufoniju. Kasnije su ovaj naziv posudili mnogi jezici.

Prvi tokamak izgrađen je 1955. godine, a dugo su tokamaci postojali samo u SSSR-u. Tek nakon 1968. godine, kada je na tokamaku T-3, izgrađen u Institutu za atomsku energiju. I.V. Kurchatov, pod vodstvom akademika L.A. Artsimoviča, dostignuta je temperatura plazme od 10 miliona stepeni, a engleski naučnici su svojom opremom potvrdili ovu činjenicu, u koju su u početku odbijali vjerovati, u svijetu je počeo pravi bum tokamaka. Od 1973. godine, program istraživanja fizike plazme na tokamacima vodio je Boris Borisovič Kadomcev.

Trenutno se tokamak smatra najperspektivnijim uređajem za implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije.

Uređaj

Tokamak je toroidalna vakuumska komora na koju su zavojnice namotane kako bi se stvorilo toroidno magnetsko polje. Vazduh se prvo ispumpava iz vakuumske komore, a zatim se puni mešavinom deuterija i tricijuma. Zatim se pomoću induktora stvara vrtložno električno polje u komori. Induktor je primarni namotaj velikog transformatora, u kojem je tokamak komora sekundarni namotaj. Električno polje uzrokuje da struja teče i zapali plazma komoru.

Struja koja teče kroz plazmu obavlja dva zadatka:

zagrijava plazmu na isti način kao i bilo koji drugi provodnik (omsko grijanje);

stvara magnetno polje oko sebe. Ovo magnetsko polje naziva se poloidno (to jest, usmjereno duž linija koje prolaze kroz polove sfernog koordinatnog sistema).

Magnetno polje komprimira struju koja teče kroz plazmu. Kao rezultat, formira se konfiguracija u kojoj spiralne linije magnetskog polja "uvijaju" plazma kabel. U ovom slučaju, korak za vrijeme rotacije u toroidnom smjeru ne poklapa se sa korakom u poloidalnom smjeru. Pokazalo se da su magnetne linije nezatvorene; uvijaju se oko torusa beskonačno mnogo puta, formirajući takozvane "magnetne površine" toroidnog oblika.

Za stabilno zadržavanje plazme u takvom sistemu neophodno je prisustvo poloidnog polja. Budući da nastaje povećanjem struje u induktoru, a ne može biti beskonačan, vrijeme stabilnog postojanja plazme u klasičnom tokamaku je ograničeno. Da bi se ovo ograničenje prevazišlo, razvijene su dodatne metode održavanja struje. U tu svrhu može se koristiti ubrizgavanje ubrzanih neutralnih atoma deuterija ili tritijuma ili mikrovalnog zračenja u plazmu.

Pored toroidnih zavojnica, potrebne su dodatne zavojnice poloidnog polja za kontrolu plazma kabla. Oni su prstenasti zaokreti oko vertikalne ose komore tokamaka.

Samo zagrijavanje zbog protoka struje nije dovoljno da se plazma zagrije do temperature potrebne za termonuklearnu reakciju. Za dodatno zagrijavanje koristi se mikrovalno zračenje na takozvanim rezonantnim frekvencijama (na primjer, koje se poklapaju sa ciklotronskom frekvencijom elektrona ili iona) ili ubrizgavanjem brzih neutralnih atoma.

Tokamaci i njihove karakteristike

Ukupno je u svijetu izgrađeno oko 300 tokamaka. Najveći od njih su navedeni u nastavku.

SSSR i Rusija

T-3 je prvi funkcionalni uređaj.

T-4 - uvećana verzija T-3

T-7 je jedinstvena instalacija u kojoj je po prvi put u svijetu implementiran relativno veliki magnetni sistem sa supravodljivim solenoidom na bazi kalajnog niobata hlađen tečnim helijumom. Glavni zadatak T-7 je završen: pripremljena je perspektiva za sljedeću generaciju supravodljivih solenoida za termonuklearnu energiju.

T-10 i PLT su sljedeći korak u svjetskom termonuklearnom istraživanju, gotovo su iste veličine, jednake snage, sa istim faktorom zatvaranja. I dobijeni rezultati su identični: u oba reaktora je dostignuta temperatura termonuklearne fuzije, a kašnjenje prema Lawsonovom kriteriju bilo je 200 puta.

T-15 je današnji reaktor sa supravodljivim solenoidom koji daje indukcijsko polje od 3,6 Tesla.

kina

EAST - nalazi se u gradu Hefei, provincija Anhui. Na tokamaku je prekoračen Lawsonov kriterijum za nivo paljenja, koeficijent izlazne energije je bio 1,25

7 milijardi tenge iz budžeta zemlje uloženo u izgradnju, i 6 godina prinudnog zastoja u potrazi za izvorima finansiranja. Kazahstanski projekat tokamaka nauke o materijalima bio je na ivici zatvaranja. Međutim, situacija se radikalno promijenila zahvaljujući novim pravcima međunarodne saradnje. Novinar Grigorij Bedenko posetio je Kurčatov i posebno za Infromburo.kz pripremio izveštaj o perspektivama istraživanja u oblasti kontrolisane termonuklearne fuzije.

Malo istorije

Sredinom 20. stoljeća najrazvijenije zemlje svijeta su vrlo brzo ovladale atomskom energijom i naučile da je koriste kako u programima vojnog naoružanja, tako i za proizvodnju velikih količina toplotne i električne energije u miroljubive svrhe. Međutim, ispostavilo se da je proces kontroliranog raspada atomskog jezgra krajnje nesiguran za okoliš. Nesreće u nuklearnim elektranama i ogroman problem odlaganja visokoaktivnog otpada lišili su perspektivu ovoj vrsti energije. Zatim, sredinom veka, naučnici su postavili hipotezu da bi kontrolisana termonuklearna fuzija mogla biti alternativa. Stručnjaci su predložili da se u zemaljskim uslovima ponavljaju procesi koji se dešavaju u dubinama zvijezda i da se nauči ne samo da ih kontroliše, već i da se dobije energija u količinama neophodnim za postojanje civilizacije. Kao što je poznato, termonuklearna fuzija se zasniva na principu fuzije lakih jezgara vodonika u teža uz nastanak helijuma. U ovom slučaju se oslobađa mnogo više energije nego prilikom obrnutog procesa, kada se jezgra teških elemenata dijele na lakše s ogromnim oslobađanjem energije i stvaranjem izotopa različitih elemenata periodnog sistema. U termonuklearnim reaktorima nema štetnih efekata niti opasnog proizvodnog otpada.

Dijagram međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER

Zanimljivo je da se sam proces termonuklearne fuzije prilično lako rekreirao za programe naoružanja, ali se razvoj mirnodopskih energetskih projekata pokazao gotovo nemogućim zadatkom. Glavna stvar za hidrogensku bombu je, zapravo, da pokrene proces fuzije, koji se odvija u nanosekundama. Ali energetski termonuklearni reaktor zahtijeva posebne uslove. Za dobijanje energije potrebno je visokotemperaturnu plazmu držati u kontrolisanom stanju određeno vreme – zagreva se od 10 do 30 miliona stepeni Celzijusa. Ograničavanjem takve plazme stvaraju se fizički uslovi za fuziju lakih jezgara deuterija i tricijuma u teške. Štaviše, trebalo bi da se oslobodi više energije nego što je utrošeno na zagrevanje i zadržavanje plazme. Vjeruje se da bi jedan impuls s kontroliranom termonuklearnom fuzijom s pozitivnim koeficijentom oslobađanja energije trebao trajati najmanje 500 sekundi. Ali za takvo vrijeme i na takvim temperaturama, niti jedan konstruktivni materijal perspektivnog reaktora neće to izdržati. Jednostavno će ispariti. A naučnici širom svijeta se više od pola vijeka bore s problemom nauke o materijalima gotovo bezuspješno.

Plazma dobijena na Kazahstanskom tokamaku za nauku o materijalima / Materijale obezbedio Institut za atomsku energiju Nacionalnog nuklearnog centra Republike Kazahstan

Materijale obezbijedio Institut za atomsku energiju NNC RK

Ovaj vrlo usporeni video prikazuje formiranje plazme u kazahstanskom tokamaku (materijali koje je obezbijedio Institut za atomsku energiju Nacionalnog nuklearnog centra Republike Kazahstan)

Formiranje plazme u CFT

Šta su tokamak i stelarator?

Skraćenica je ruska, jer je prva instalacija razvijena u Sovjetskom Savezu. Tokamak je toroidna komora sa magnetnim zavojnicama. Torus je trodimenzionalna geometrijska figura (u obliku krofne, jednostavnim riječima), a toroid je tanka žica namotana oko okvira u obliku torusa. Tako se visokotemperaturna plazma u instalaciji formira i zadržava u obliku torusa. U ovom slučaju, glavni princip tokamaka je da plazma ne stupa u interakciju sa zidovima komore, već visi u prostoru, kao da ga drži super-moćno magnetsko polje. Shemu toplinske izolacije plazme i način korištenja takvih instalacija u industrijske svrhe prvi je predložio sovjetski fizičar Oleg Aleksandrovič Lavrentjev. Prvi tokamak izgrađen je 1954. godine i dugo je postojao samo u SSSR-u. Do danas je u svijetu napravljeno oko dvije stotine sličnih uređaja. Trenutno postoje operativne toroidalne komore za proučavanje kontrolisane termonuklearne fuzije u Rusiji, SAD, Japanu, Kini i Evropskoj uniji. Najveći međunarodni projekat u ovoj oblasti je ITER (više o tome kasnije). Inicijator izgradnje tokamaka za nauku o materijalima u Kazahstanu bio je šef ruskog instituta Kurčatov, akademik Jevgenij Pavlovič Velihov. Od 1975. godine vodio je program fuzijskih reaktora pod kontrolom Sovjetskog Saveza. Ideja o izgradnji objekta na nekadašnjem poligonu za nuklearno testiranje Semipalatinsk pojavila se 1998. godine kada se Velihov sastao s predsjednikom Republike Kazahstan Nursultanom Nazarbajevim.

Šema zadržavanja plazme u stelaratoru / Materijali Instituta za atomsku energiju NNC RK

Stelarator je alternativni tip reaktora u odnosu na tokamak za izvođenje kontrolirane termonuklearne fuzije. Izumio ga je američki astrofizičar Lyman Spitzer 1950. godine. Ime dolazi od latinske riječi stella (zvijezda), što ukazuje na sličnost procesa unutar zvijezda i u instalaciji koju je napravio čovjek. Glavna razlika je u tome što se magnetsko polje za izolaciju plazme od unutrašnjih zidova komore u potpunosti stvara vanjskim zavojnicama, što mu omogućava da se koristi u kontinuiranom režimu. Plazma u stelaratoru se formira u obliku "zgužvane krofne" i, takoreći, uvija se. Danas postoje istraživački stelaratori u Rusiji, Ukrajini, Njemačkoj i Japanu. Štaviše, najveći svjetski stelarator, Wendelstein 7-X (W7-X), nedavno je lansiran u Njemačkoj.

Kazahstanski tokamak nauke o materijalima / Grigorij Bedenko

Sve su to istraživački objekti“, kaže šef naučne grupe projekta KTM.Stellarator se razlikuje po konfiguraciji svog magnetnog polja. U tokamaku se za zadržavanje plazme koriste takozvani toroidni namotaj i poloidalni vanjski namotaj. Ali u stelaratoru je obrnuto - postoji spiralna spiralna rana, koja obavlja funkcije i toroidalne i poloidne. Tokamak je u početku impulsna instalacija, a stelarator je stacionarnija instalacija, odnosno prednost uvijenog namota omogućava vam da plazmu držite neograničeno. Stelaratori su razvijeni u isto vrijeme kada i tokamaci, a jedno vrijeme su tokamaci preuzeli vodeću ulogu u parametrima plazme. "Procesija" tokamaka je počela širom svijeta. Ali ipak, stelaratori se razvijaju. Dostupni su u Japanu, nedavno su napravljeni u Njemačkoj - Wendelstein 7-X (W7-X) je pušten u rad. U SAD postoji stelarator. Osim toga, postoji ogroman broj svih vrsta istraživačkih instalacija s djelimično magnetskom plazmom konfinacijom - to su razne zamke. Postoji i inercijska termonuklearna fuzija, kada se mala meta zagrije laserskim zračenjem. Ovo je tako mala termonuklearna eksplozija.

Jedinice i sklopovi gornjeg dijela instalacije / Grigorij Bedenko

Pa ipak, tokamak se danas smatra najperspektivnijim kao industrijski termonuklearni reaktor.

Tehnološka zgrada u kojoj se nalazi KTM / Grigorij Bedenko

Tokamak u Kazahstanu

Kazahstanska instalacija izgrađena je do 2010. godine na posebno određenom mjestu u administrativnoj zoni bivšeg Semipalatinskog poligona - grada Kurčatova. Kompleks se sastoji od nekoliko tehnoloških zgrada u kojima se nalaze komponente i sklopovi tokamaka, kao i radionice, prostorije za obradu podataka, smještaj osoblja itd. Projekat je razvijen u Rusiji na bazi Nacionalnog centra za termonuklearna istraživanja (Kurčatov institut). Vakumska komora, magnetni namotaji itd. projektovani su i montirani u Istraživačkom institutu za elektrofizičku opremu po imenu. D.V. Evremov (Istraživački institut EFA), automatizacija - na Tomskom politehničkom institutu. Sa ruske strane u projektu su učestvovali i Sveruski institut struja (NII TVCH), TRINITI (Troick institut za inovativna i termonuklearna istraživanja). Generalni projektant iz Kazahstana bio je Promenergoproekt LLP, a direktno je instaliran kompleks Kazelektromontazh UPC. Nakon što su svi radovi završeni, CTM je lansiran i proizvedena prva plazma. Tada je zaustavljeno finansiranje projekta, a tokamak se na šest dugih godina pretvorio u skupu turističku atrakciju visoke tehnologije.

Instalacija opreme za naknadnu ugradnju za KTM / Grigory Bedenko

Drugi život KTM-a

Projekat je ponovo pokrenut uoči EXPO 2017 u Astani. Savršeno se uklapa u koncept Svjetske izložbe posvećene energiji budućnosti. 9. juna instalacija je ponovo pokrenuta u prisustvu velikog broja novinara. Ruski programeri su bili prisutni na predstavljanju. Kako je rečeno tokom ceremonije, svrha prve faze fizičkog lansiranja je otklanjanje grešaka i testiranje standardnih KTM sistema. Također, prema riječima čelnika Nacionalnog nuklearnog centra Republike Kazahstan Erlana Batyrbekova, na osnovu kazahstanskog tokamaka, naučnici iz različitih zemalja moći će provesti širok spektar istraživanja, uključujući modernizaciju postojećih industrijskih reaktora.

AC pretvarač za KTM ima futuristički izgled / Grigorij Bedenko

Tada se situacija razvila u još povoljnijem smjeru. U Astani, tokom Ministarske konferencije i VIII Međunarodnog energetskog foruma, Kazahstan je dobio zvaničan poziv da postane pridruženi član Međunarodne organizacije ITER. Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor kreira grupa zemalja kako bi demonstrirala mogućnost komercijalne upotrebe termonuklearne energije, kao i rješavanje fizičkih i tehnoloških problema u ovoj oblasti. U suštini, ITER je ogroman i veoma složen tokamak. U projektu učestvuju zemlje Evropske unije, Indija, Kina, Južna Koreja, Rusija, SAD, Japan, a sada i naša zemlja. Iz Kazahstana će istraživanje na ovu temu sprovesti stručnjaci Nacionalnog nuklearnog centra, Istraživačkog instituta za eksperimentalnu i teorijsku fiziku Kazahstanskog nacionalnog univerziteta. Al-Farabi, Institut za nuklearnu fiziku, Metalurški kombinat Ulba, KazNIPIEnergoprom i Kazelektromash. ITER će biti napravljen u Francuskoj, 60 kilometara od Marseillea. Trenutno se cijena projekta procjenjuje na 19 milijardi eura. Pokretanje instalacije planirano je za 2025. godinu.

Baurzhan Chektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, šef naučne grupe CT projektaM

Dana 10. juna zaključen je memorandum o zajedničkom istraživanju ITER-a i KTM-a. U okviru ovog sporazuma trenutno je u pripremi projekat interakcije sa Međunarodnom organizacijom ITER. Zainteresovani su za našu instalaciju. Sam projekat ITER također nije jednostavan, postoji problem materijala. U sklopu projekta proučavat ćemo volfram i berilijum. Od ovog materijala bit će napravljene određene komponente i dijelovi ITER-a. Ubacit ćemo ih. Cijeli prvi zid reaktora ITER bit će obložen pločicama od volframa i berilijuma. Sama vakumska komora se sastoji od divertera, u koji se slijevaju tokovi plazme; tu je najintenzivnije mjesto - 20 MW po kvadratnom metru. Tu će biti volframa. Ostatak prvog zida bit će obložen berilijumom.

KTM je veoma složen sistem sa tehnološke tačke gledišta / Grigorij Bedenko

- Zašto unutraITERtoliko ste zainteresovani za naš tokamak?

Pored nauke o materijalima, zadatak naše instalacije je i proučavanje fizike plazme. CTM je jedinstven u pogledu odnosa stranica. Postoji takav parametar, jedan od glavnih za tokamake - omjer velikog radijusa od osi do centra plazme prema malom, odnosno od ose plazme do njenih rubova. Za nas je ovaj parametar jednak dva. U istom ITER-u - 3.1. Svi tokamaci koji imaju više od 3 su klasični. Postoji moderan smjer tokamaka - to su sferni tokamaci, u kojima je omjer stranica manji od 2 - jedan i pol i čak niži - to su hladne, gotovo sferne komore. Naš tokamak se nalazi, takoreći, na graničnom položaju, između klasičnih i sfernih tokamaka. Takvih instalacija još nije bilo, a ovdje će se, mislim, provesti zanimljivo istraživanje ponašanja plazme. Takve instalacije se smatraju hibridnim budućim reaktorima, odnosno volumetrijskim izvorima neutrona.

Donji dio vakuumske komore KTM / Fotografija Grigorija Bedenka

- Koliko je obećavajuća saradnja saITER?Hoće li to spasiti projekat?

U 2010. godini izvršeno je probno puštanje u pogon sa opremom i pripravnošću koja je tada bila na raspolaganju. Zadatak je bio pokazati da instalacija "diše" i da je sposobna za rad. Iste desete godine ostali smo bez sredstava. Zatim je bilo šest godina neaktivnosti. Sve ovo vrijeme smo se borili za budžet. Prethodno je odobren 2006. godine i morao je biti potpuno revidiran. Oko 80% naše opreme je strano, a u kontekstu poznatih događaja u globalnom finansijskom sistemu, objekat je znatno skuplji nego što je prvobitno planirano. U 2016. godini, nakon usklađivanja budžeta projekta, dodijeljena su dodatna sredstva. Instalacija je već koštala kazahstanski budžet 7 milijardi tenge. Ovo uključuje građevinsko-montažne radove, proizvodnju vakuum komore i elektromagnetnog sistema.

Istraživači moraju biti majstori za sve zanate / Grigorij Bedenko

- Šta se sada dešava? U junu je bio probni rad.

Sada je stvaranje KTM-a u završnoj fazi. Trenutno je u toku montaža i puštanje u rad glavnog i pomoćnog sistema. Sklopljen je ugovor sa generalnim izvođačem koji je pobijedio na tenderu. Postoje dvije firme, jedna se bavi građevinskim i instalaterskim poslovima, druga - puštanje u rad. „KazIntelgroup“ se bavi građevinskim i instalaterskim radovima, „Garant kvaliteta XXI Century“ se bavi puštanjem u rad. Planirano je da izgradnja instalacije bude završena ove godine. Zatim će se prije kraja godine održati fizičko lansiranje. 2018. instalacija će biti puštena u rad i započeti eksperimenti u punom obimu. U roku od 3 godine planiramo doći do nominalnih projektnih parametara koji su uključeni u instalaciju, a zatim dalje istraživati materijale.

Na nekim mjestima KTM podsjeća na vanzemaljski brod / Fotografija Grigorija Bedenka

- Kako stojite sa selekcijom zaposlenih?

Većina mladih specijalista su diplomci kazahstanskih univerziteta iz Ust-Kamenogorska, Pavlodara i Semeja. Neki su diplomirali na ruskim univerzitetima, na primjer, Tomskom politehničkom univerzitetu. Pitanje kadrova je akutno. Prema projektu trebalo bi da bude oko 120 ljudi, radi 40. Sledeće godine, kada kompleks bude pušten u rad, biće prijem. Ali pronalaženje stručnjaka u ovoj oblasti je poseban i težak zadatak.

Dmitrij Olhovik, šef odjela za sisteme za automatizaciju eksperimenata KTM-a

Posebnost CFT-a je da ima rotaciono-diverterski uređaj, odnosno da se svi materijali koji se proučavaju mogu rotirati unutar komore. Pored toga, postoji i transportni gateway uređaj. Ovo omogućava punjenje materijala koji se proučavaju bez smanjenja pritiska u vakuumskoj komori. Na drugim instalacijama postoje određene poteškoće: ako je komora bila pod pritiskom, potrebno je najmanje tjedan ili dvije da se ponovo pripremi za nova lansiranja. Lako možemo zamijeniti probne uzorke u jednoj kampanji, bez gubljenja vremena na smanjenje pritiska. To je ekonomska prednost instalacije.

Neke vrste nove opreme su i dalje u originalnom pakovanju / Grigorij Bedenko

- Kako će se eksperimenti izvoditi?

Na ovakvim instalacijama se izvode dvije eksperimentalne kampanje godišnje. Na primjer, u proljeće provodimo kampanju, a zatim ljeti analiziramo dobijene podatke i planiramo dalje eksperimente. Druga kampanja se održava na jesen. Sama kampanja traje od dva do tri mjeseca. Dva su glavna problema na putu stvaranja energetskog fuzijskog reaktora. Prvi je razvoj tehnologije za proizvodnju i zadržavanje plazme, drugi je razvoj materijala, onih koji se direktno obraćaju plazmi, jer je plazma visokotemperaturna. Ogromni tokovi energije lete i utiču na materijal. Materijal se zauzvrat uništava i raspršuje. A ulazak ovih čestica u plazmu ima izuzetno negativan efekat. Plazma je veoma osetljiva na nečistoće. Oni hlade plazmu i na kraju je gase. Tu je i tema o efektima neutrona na konstrukcijske materijale. Naš tokamak će testirati materijale kako bi utvrdio njihovu otpornost na toplinu. To znači da se ne prskaju i da su kompatibilni sa plazmom. Volfram i berilijum će se proučavati kao takvi materijali. Mi ćemo ih testirati, vidjeti kako se ponašaju u uvjetima velikih protoka plazme, kao na ITER-u.

Ogromne struje se koriste u KTM-u / Grigorij Bedenko

- Koji se radovi izvode na rekonstrukciji KTM-a?

Montaža tehnoloških sistema za vakuum sisteme, sisteme hlađenja. Ovo je vrlo složena elektroinstalacija. Da biste dobili magnetno polje, potrebno je uzeti mnogo energije iz mreže. Postoji određeni kompleks za konverziju energije. Počevši od impulsnog sistema napajanja, koristi se dosta nosivih transformatora, a koristi se kompleks teristorskih pretvarača, odnosno prilično složen sistem u smislu rada, upravljanja i sistem je veoma raspoređen. Odnosno, sav ovaj posao se sada obavlja, prilagođavaju se napajanja.

Rad je veoma mukotrpan / Grigorij Bedenko

Rad sa novom KTM opremom

Takve instalacije zahtijevaju vrlo veliku količinu električne energije za rad. Hoće li KTM mnogo trošiti?

Pri radu u nominalnom režimu, unos električne energije iz mreže iznosiće oko 80-100 MW. Za jedan eksperiment. Postoji i standardni dodatni sistem grijanja, koji će također crpiti energiju iz mreže.

Sistem napajanja magnetnim zavojnicama / Grigorij Bedenko

Poznato je da u Kazahstanu značajan dio stanovništva ima radiofobiju. Ovo su socio-psihološke posljedice nuklearnih proba. Koliko će vaše istraživanje biti sigurno?

Vjeruje se da je kontrolirana termonuklearna fuzija alternativni ekološki izvor energije. Nesreće poput Černobila, Fukušime itd. jednostavno se fizički ne mogu dogoditi ovdje. Najozbiljnija stvar koja se može desiti je smanjenje pritiska vakuumske komore u kojoj se nalazi plazma. U tom slučaju se plazma gasi i ovih nekoliko grama termonuklearnog goriva koje je bilo u komori iscuri.

Gornji dio instalacije / Grigorij Bedenko

I još nekoliko zanimljivosti o ITER-u, najvećem međunarodnom projektu u povijesti ovakvih istraživanja, u koji naši stručnjaci polažu velike nade. Kao što je već spomenuto, ITER je međunarodna organizacija koja uključuje više od deset zemalja: Rusiju, Francusku, Japan, Kinu, Indiju, Evropsku uniju, Kanadu i SAD. Zanimljivo je da svaka zemlja doprinos projektu daje u obliku gotovih proizvoda. Na primjer, Rusija proizvodi neke kriogene namote na bazi supravodnika, energetske opreme itd.

Rad na postavljanju sistema napajanja na KTM / Grigory Bedenko

ITER još nije energetska instalacija; neće obezbjeđivati energiju. Ovo je tehnološka demonstracija izvodljivosti proizvodnje plazme sa izlaznom energijom. Nakon ITER-a, kada se tehnologije razviju, napravit će se demonstracijski reaktor koji će već davati energiju. To će se desiti negde u 40-50-im godinama 21. veka. Odnosno, 100 godina nakon početka istraživanja na ovu temu.

KTM kontrolna soba / Grigorij Bedenko

Projekt ITER ima oko 500 sekundi neprekidnog rada. Pulsni reaktor. U principu je predviđeno do 1000 sekundi. - kako će proći? Kada se odaberu sve tehnologije, materijali i dizajn budu odobreni, slijedi DEMO. Već je odlučeno da će se ovaj reaktor graditi u Japanu.

KTM jedinice / Grigorij Bedenko

Očigledno, princip rada energetskog termonuklearnog reaktora će biti sljedeći. Prvi element, koji će apsorbirati toplinsku energiju plazme, sadržavat će unutar sebe kanale za razmjenu topline. Tada je sve isto kao u konvencionalnoj elektrani - zagrijavanje rashladne tekućine sekundarnog kruga, okretanje turbina i generiranje električne energije.

Opšti pogled na reaktorsku halu KTM / Grigorij Bedenko

Fizičko lansiranje ITER-a održat će se 2025. godine. Biće pušten u rad 2028. godine. Na osnovu rezultata rada razmatra se opcija stvaranja hibridnih reaktora - gdje se neutroni iz termonuklearne fuzije koriste za cijepanje nuklearnog goriva.

Da bi se ostvarili uslovi neophodni za nastanak. Plazmu u tokamaku ne drže zidovi komore, koji nisu u stanju da izdrže temperaturu neophodnu za termonuklearne reakcije, već posebno stvoreno kombinovano magnetno polje - toroidno spoljašnje i poloidno polje struje koja teče kroz plazmu. kabel. U poređenju sa drugim instalacijama koje koriste magnetno polje za ograničavanje plazme, upotreba električne struje je glavna karakteristika tokamaka. Struja u plazmi osigurava zagrijavanje plazme i održavanje ravnoteže plazma filamenta u vakuumskoj komori. Na ovaj način, tokamak se posebno razlikuje od stelaratora, koji je jedna od alternativnih shema zatvaranja u kojoj se i toroidna i poloidalna polja stvaraju pomoću vanjskih magnetskih zavojnica.

Reaktor Tokamak se trenutno razvija u sklopu međunarodnog naučnog projekta ITER.

Priča

Trenutno se tokamak smatra najperspektivnijim uređajem za implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije.

Uređaj

Tokamak je toroidalna vakuumska komora na koju su zavojnice namotane kako bi se stvorilo toroidno magnetsko polje. Vazduh se prvo ispumpava iz vakuumske komore, a zatim se puni mešavinom deuterija i tricijuma. Zatim koristeći induktor u komori se stvara vrtložno električno polje. Induktor je primarni namotaj velikog transformatora, u kojem je tokamak komora sekundarni namotaj. Električno polje uzrokuje protok struje i paljenje u plazma komori.

Struja koja teče kroz plazmu obavlja dva zadatka:

zagrijava plazmu na isti način kao i bilo koji drugi provodnik (omsko grijanje);
stvara magnetno polje oko sebe. Ovo magnetno polje se zove poloidal(odnosno, usmjereno duž linija koje prolaze stubovi sferni koordinatni sistem).

Za stabilno zadržavanje plazme u takvom sistemu neophodno je prisustvo poloidnog polja. Budući da nastaje povećanjem struje u induktoru, a ne može biti beskonačan, vrijeme stabilnog postojanja plazme u klasičnom tokamaku je i dalje ograničeno na nekoliko sekundi. Da bi se ovo ograničenje prevazišlo, razvijene su dodatne metode održavanja struje. U tu svrhu može se koristiti ubrizgavanje u plazmu ubrzanih neutralnih atoma deuterija ili tricijuma ili mikrovalno zračenje.

Osim toroidnih zavojnica, potrebne su dodatne za kontrolu plazma kabela. poloidno polje zavojnice. Oni su prstenasti zaokreti oko vertikalne ose komore tokamaka.

Tokamaci i njihove karakteristike

Ukupno je u svijetu izgrađeno oko 300 tokamaka. Najveći od njih su navedeni u nastavku.

SSSR i Rusija

Kazahstan

Kazahstanski tokamak za istraživanje materijala (KTM) je eksperimentalna termonuklearna instalacija za istraživanje i ispitivanje materijala u režimima energetskog opterećenja blizu