Was ist ein Tokamak? Der thermonukleare Reaktor wird eine neue Ära für die Menschheit eröffnen. Technokratische Bewegung Tokamak-Installation

eine Vorrichtung zur Durchführung einer thermonuklearen Fusionsreaktion in heißem Plasma im quasistationären Modus, wobei das Plasma in einer Ringkammer erzeugt und durch ein Magnetfeld stabilisiert wird. Der Zweck der Anlage besteht darin, intranukleare Energie in Wärme und anschließend in Elektrizität umzuwandeln. Das Wort „Tokamak“ selbst ist eine Abkürzung für den Namen „toroidale Magnetkammer“, aber die Schöpfer der Installation haben das „g“ am Ende durch ein „k“ ersetzt, um keine Assoziationen mit etwas Magischem hervorzurufen.

Der Mensch gewinnt Atomenergie (sowohl in einem Reaktor als auch in einer Bombe), indem er die Kerne schwerer Elemente in leichtere aufteilt. Die Energie pro Nukleon ist für Eisen maximal (das sogenannte „Eisenmaximum“), und zwar seitdem Maximum in der Mitte, dann wird Energie nicht nur beim Zerfall schwerer Elemente, sondern auch bei der Kombination leichter Elemente freigesetzt. Dieser Prozess wird thermonukleare Fusion genannt und findet in einer Wasserstoffbombe und einem Fusionsreaktor statt. Es sind viele thermonukleare Reaktionen und Fusionsreaktionen bekannt. Als Energiequelle können solche verwendet werden, für die es kostengünstigen Brennstoff gibt, und es sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten möglich, die Fusionsreaktion zu starten.

Der erste Weg ist „explosiv“: Ein Teil der Energie wird dafür aufgewendet, eine sehr kleine Stoffmenge in den erforderlichen Ausgangszustand zu bringen, es findet eine Synthesereaktion statt und die freigesetzte Energie wird in eine geeignete Form umgewandelt. Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine Wasserstoffbombe, die nur ein Milligramm wiegt. Eine Atombombe kann nicht als Anfangsenergiequelle genutzt werden, sie ist nicht „klein“. Daher wurde angenommen, dass eine Millimetertablette aus Deuterium-Tritium-Eis (oder eine Glaskugel mit einer komprimierten Mischung aus Deuterium und Tritium) von allen Seiten mit Laserimpulsen bestrahlt würde. Die Energiedichte an der Oberfläche muss so sein, dass die oberste Schicht der in Plasma umgewandelten Tablette auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der Druck auf die Innenschichten und die Erwärmung der Innenschichten der Tablette selbst ausreichen die Synthesereaktion. In diesem Fall muss der Impuls so kurz sein, dass die Substanz, die sich in einer Nanosekunde in ein Plasma mit einer Temperatur von zehn Millionen Grad verwandelt hat, keine Zeit hat, auseinanderzufliegen, sondern auf die Innenseite der Tablette drückt. Dieser Innenraum wird auf eine hundertmal höhere Dichte als Feststoffe komprimiert und auf einhundert Millionen Grad erhitzt.

Zweiter Weg. Die Ausgangsstoffe können relativ langsam erhitzt werden – sie verwandeln sich in Plasma, in das dann auf beliebige Weise Energie eingebracht werden kann, bis die Bedingungen für den Beginn der Reaktion erreicht sind. Damit eine thermonukleare Reaktion in einer Mischung aus Deuterium und Tritium abläuft und eine positive Energieausbeute erzielt wird (wenn die bei einer thermonuklearen Reaktion freigesetzte Energie größer ist als die für diese Reaktion aufgewendete Energie), muss ein Plasma erzeugt werden mit einer Dichte von mindestens 10 14 Partikeln/cm 3 (10 5 atm) und erhitzen Sie es auf etwa 10 9 Grad, während das Plasma vollständig ionisiert wird.

Eine solche Erwärmung ist notwendig, damit sich die Kerne trotz Coulomb-Abstoßung einander annähern können. Es lässt sich zeigen, dass dieser Zustand zur Gewinnung von Energie mindestens eine Sekunde lang aufrechterhalten werden muss (das sogenannte „Lawson-Kriterium“). Eine genauere Formulierung des Lawson-Kriteriums: Das Produkt aus Konzentration und der Zeit zur Aufrechterhaltung dieses Zustands sollte in der Größenordnung von 10 15 cm cm 3 liegen. Das Hauptproblem ist die Stabilität des Plasmas: In einer Sekunde hat es Zeit, sich um ein Vielfaches auszudehnen, die Wände der Kammer zu berühren und abzukühlen.

Im Jahr 2006 begann die internationale Gemeinschaft mit dem Bau eines Demonstrationsreaktors. Dieser Reaktor wird keine echte Energiequelle sein, aber er ist so konzipiert, dass danach, wenn alles gut funktioniert, mit dem Bau von „Energie“-Reaktoren begonnen werden kann, d. h. thermonukleare Reaktoren, die zur Einbindung in das Stromnetz bestimmt sind. Die größten physikalischen Projekte (Beschleuniger, Radioteleskope, Raumstationen) werden so teuer, dass sich selbst für die Menschheit, die ihre Anstrengungen gebündelt hat, als unerschwinglich erweist, zwei Optionen in Betracht zu ziehen, sodass eine Wahl getroffen werden muss.

Der Beginn der Arbeiten zur kontrollierten Kernfusion sollte auf das Jahr 1950 zurückgehen, als I.E. Tamm und A.D. Sacharow zu dem Schluss kamen, dass eine kontrollierte Kernfusion (CTF) durch magnetischen Einschluss von heißem Plasma realisiert werden könnte. In der Anfangsphase wurden die Arbeiten in unserem Land am Kurchatov-Institut unter der Leitung von L.A. Artsimovich durchgeführt. Die Hauptprobleme lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Probleme der Plasmainstabilität und technologische Probleme (reines Vakuum, Strahlungsbeständigkeit usw.). Die ersten Tokamaks wurden zwischen 1954 und 1960 hergestellt, mittlerweile wurden weltweit mehr als 100 Tokamaks gebaut. In den 1960er Jahren wurde gezeigt, dass die Erwärmung durch Stromdurchgang („ohmsche Erwärmung“) allein ein Plasma nicht auf Fusionstemperaturen bringen kann. Der natürlichste Weg zur Erhöhung des Energiegehalts von Plasma schien die Methode der externen Injektion schneller Neutralteilchen (Atome) zu sein, doch erst in den 1970er Jahren wurde das notwendige technische Niveau erreicht und echte Experimente mit Injektoren durchgeführt. Heutzutage gilt die Erwärmung neutraler Teilchen durch Injektion und elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich als die vielversprechendste. 1988 baute das Kurchatov-Institut einen Tokamak T-15 der Vorreaktorgeneration mit supraleitenden Wicklungen. Seit 1956, als I. V. Kurchatov während des Besuchs von N. S. Chruschtschow in Großbritannien die Umsetzung dieser Arbeiten in der UdSSR ankündigte. Die Arbeiten in diesem Bereich werden von mehreren Ländern gemeinsam durchgeführt. 1988 begannen die UdSSR, die USA, die Europäische Union und Japan mit dem Entwurf des ersten experimentellen Tokamak-Reaktors (die Anlage wird in Frankreich gebaut).

Die Abmessungen des geplanten Reaktors betragen 30 Meter Durchmesser und 30 Meter Höhe. Die voraussichtliche Bauzeit dieser Anlage beträgt acht Jahre, die Betriebsdauer 25 Jahre. Das Plasmavolumen in der Anlage beträgt etwa 850 Kubikmeter. Plasmastrom 15 Megaampere. Die thermonukleare Leistung der Anlage beträgt 500 Megawatt und wird 400 Sekunden lang aufrechterhalten. In Zukunft soll diese Zeit auf 3000 Sekunden erhöht werden, was es ermöglichen wird, erste echte Studien zur Physik der Kernfusion („thermonukleare Verbrennung“) im Plasma am ITER-Reaktor durchzuführen.

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TOKAMAK(abgekürzt „Toroidkammer mit Magnetspulen“) – ein Gerät zum Halten hoher Temperaturen mithilfe eines starken Magneten. Felder. Die Idee von T. wurde 1950 von den Akademikern I. E. Tamm und A. D. Sacharow geäußert; erste Experimente Die Forschung an diesen Systemen begann im Jahr 1956.

Das Prinzip des Gerätes wird aus Abb. deutlich. 1. Plasma wird in einer ringförmigen Vakuumkammer erzeugt, die als einzige geschlossene Windung der Sekundärwicklung des Transformators dient. Beim Fließen eines mit der Zeit zunehmenden Stroms in der Primärwicklung eines Transformators 1 innerhalb der Vakuumkammer 5 Es entsteht eine elektrische Wirbelkraft in Längsrichtung. Feld. Wenn das Ausgangsgas nicht sehr groß ist (normalerweise werden Wasserstoff oder seine Isotope verwendet), entsteht seine elektrische Energie. Zusammenbruch und die Vakuumkammer wird mit Plasma gefüllt, wodurch ein großer Längsstrom ansteigt Ip. Im modernen großes T. Der Strom im Plasma ist mehrere. Millionen Ampere. Dieser Strom erzeugt ein eigenes poloidales Magnetfeld (in der Ebene des Plasmaquerschnitts). Feld IN Q. Zusätzlich wird ein starker Längsmagnet zur Stabilisierung des Plasmas eingesetzt. Feld B f, erstellt mit speziellem Wicklungen eines Ringmagneten. Felder. Es ist die Kombination aus toroidalen und poloidalen Magneten. Felder sorgen für einen stabilen Einschluss von Hochtemperaturplasma (siehe. Ringkernsysteme),notwendig für die Umsetzung kontrollierte thermonukleare Fusion.

Reis. 1. Tokamak-Diagramm: 1 - PrimärwicklungstransFormatierer; 2 - toroidale Magnetfeldspulen; 3 - Liner, dünnwandige Innenkammer zum GravierenReduzierung des toroidalen elektrischen Feldes; 4 - Spuleki poloidales Magnetfeld; 5 - Vakuum kamera; B-Eisenkern (Magnetkern).

Betriebsgrenzen. Magn. Das T-Feld hält Hochtemperaturplasma recht gut, jedoch nur innerhalb bestimmter Grenzen der Änderung seiner Parameter. Für den Plasmastrom gelten die ersten beiden Einschränkungen Ip und ihr vgl. Dichte P, ausgedrückt in Einheiten der Anzahl der Teilchen (Elektronen oder Ionen) pro 1 m 3. Es stellt sich heraus, dass für einen bestimmten Wert des Ringmagneten. Feld darf der Plasmastrom einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, sonst beginnt sich der Plasmastrang entlang einer Schraubenlinie zu verdrehen und kollabiert schließlich: der sogenannte. Instabilität der aktuellen Unterbrechung. Zur Charakterisierung des Grenzstroms wird ein Koeffizient verwendet. Aktie Q durch Schraubeninstabilität, bestimmt durch die Beziehung q = 5B J a 2 /RI p. Hier A- klein, R- großer Radius des Plasmakabels, B j - Toroidmag. Feld, Ip- Strom im Plasma (Abmessungen werden in Metern gemessen, Magnetfeld - in Tesla, Strom - in MA). Eine notwendige Voraussetzung für die Stabilität einer Plasmasäule ist die Ungleichheit Q>], sog. k r i t e r i m K r u-s k a la - Shafranova. Experimente zeigen, dass ein zuverlässig stabiler Haltemodus nur bei Werten von erreicht wird.

Es gibt zwei Grenzwerte für die Dichte – die untere und die obere. Untere Die Dichtegrenze ist mit der Bildung des sogenannten verbunden. beschleunigt, oder außer Kontrolle geratene Elektronen. Bei niedrigen Dichten reicht die Häufigkeit der Kollisionen von Elektronen mit Ionen nicht mehr aus, um ihren Übergang in den Modus der kontinuierlichen Beschleunigung im elektrischen Längsfeld zu verhindern. Feld. Auf hohe Energien beschleunigte Elektronen können eine Gefahr für die Elemente der Vakuumkammer darstellen, daher wird die Plasmadichte so hoch gewählt, dass keine beschleunigten Elektronen vorhanden sind. Andererseits wird der Plasmaeinschlussmodus bei ausreichend hoher Dichte aufgrund von Strahlung und atomaren Prozessen an der Plasmagrenze erneut instabil, was zu einer Verengung des Stromkanals und der Entwicklung einer helikalen Instabilität des Plasmas führt. Spitze. Die Dichtegrenze wird durch dimensionslose Parameter My-Krebse charakterisiert M=nR/B J und Hugella H=nqR/B j (hier gemittelt über den Querschnitt ist die Elektronendichte N gemessen in Einheiten von 10 20 Partikeln/m 3). Für einen stabilen Plasmaeinschluss ist es notwendig, dass die Zahlen M Und H bestimmte kritische Werte nicht überschritten Werte.

Wenn sich das Plasma erwärmt und sein Druck ansteigt, erscheint eine weitere Grenze, die den maximal stabilen Wert des Plasmadrucks charakterisiert. p = n(T e +T i), Wo T e, T i-Elektronik- und Ionentemperaturen. Diese Grenze wird dem Wert von b auferlegt, der dem Verhältnis entspricht, vgl. Plasmadruck zu magnetischem Druck. Felder; Ein vereinfachter Ausdruck für den Grenzwert b ist durch Troyons Beziehung b gegeben c =gI p /aB j, wo G- numerischer Faktor gleich etwa 3. 10 -2.

Wärmedämmung. Die Möglichkeit, Plasma auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen, liegt darin begründet, dass es sich in einem starken Magnetfeld befindet. Ladeflugbahnfeld Partikel sehen aus wie Spiralen, die um eine magnetische Linie gewickelt sind. Felder. Dadurch bleiben Elektronen und Ionen lange Zeit im Plasma erhalten. Und das nur aufgrund von Kollisionen und kleinen elektrischen Schwankungen. und Mag. In diesen Feldern kann die Energie dieser Teilchen in Form eines Wärmestroms an die Wände übertragen werden. Dieselben Mechanismen bestimmen die Größe der Diffusionsflüsse. Magnetischer Wirkungsgrad Die thermische Isolierung von Plasma ist durch Energie gekennzeichnet. Lebensdauer t E = W/P, Wo W-Gesamtenergiegehalt des Plasmas, a P- Plasmaheizleistung, die erforderlich ist, um es im stationären Zustand zu halten. Wert t E kann auch als charakteristische Abkühlzeit des Plasmas angesehen werden, wenn die Heizleistung plötzlich abgeschaltet wird. In einem ruhigen Plasma entstehen durch paarweise Kollisionen von Elektronen und Ionen Partikelströme und Wärme zu den Wänden der Kammer. Diese Flüsse werden theoretisch unter Berücksichtigung realer Ladungsbahnen berechnet. Teilchen pro Mag. Feld T. Die entsprechende Theorie der Diffusionsprozesse heißt. neoklassizistisch (vgl Migrationsprozesse). Im realen Plasma T. gibt es immer kleine Schwankungen der Felder und Teilchenflüsse, daher übertreffen die realen Werte der Wärme- und Teilchenflüsse die Vorhersagen der neoklassischen in der Regel deutlich. Theorien.

An vielen T. decomp. durchgeführte Experimente. Formen und Größen ermöglichten es, die Ergebnisse der Untersuchung von Übertragungsmechanismen in entsprechenden empirischen Studien zusammenzufassen. Abhängigkeiten. Insbesondere wurden Energieabhängigkeiten festgestellt. Lebensdauer t E von main Plasmaparameter für die Zersetzung halte Mod. Diese Abhängigkeiten werden aufgerufen s k e l i n g a m i; Sie werden erfolgreich zur Vorhersage von Plasmaparametern in neu in Betrieb genommenen Anlagen eingesetzt.

Selbstorganisation von Plasma. Im Plasma T. gibt es immer schwach nichtlineare, die die Profile der Verteilung von Temperatur, Teilchendichte und Stromdichte entlang des Radius beeinflussen, als ob sie diese steuern würden. Insbesondere in die Mitte. Sehr häufig sind sogenannte Plasmastrangbereiche vorhanden. Sägezahnschwingungen, die einen sich periodisch wiederholenden Prozess einer allmählichen Verschärfung und anschließenden starken Abflachung des Temperaturprofils widerspiegeln. Rampenförmige Schwingungen verhindern eine Stromkontraktion zum Magneten. Torusachse (vgl Gasentladungskontraktion). Darüber hinaus werden in T. von Zeit zu Zeit helikale Moden angeregt (die sogenannten T i r i n g-Moden), die außerhalb der Kordel in Form niederfrequenter magnetischer Wellen beobachtet werden. Zögern. Ermüdungsmodi tragen zur Etablierung einer stabileren Verteilung der Stromdichte entlang des Radius bei. Bei ungenügend sorgfältigem Umgang mit dem Plasma können sich die Tearing-Modi so stark verstärken, dass die magnetischen Störungen, die sie hervorrufen, dies verhindern Felder zerstören Magnete. Oberflächen im gesamten Volumen des Plasmakabels, magnetisch. Die Konfiguration wird zerstört, die Plasmaenergie wird an die Wände abgegeben und der Strom im Plasma stoppt aufgrund seiner starken Abkühlung (vgl. Reißinstabilität).

Zusätzlich zu diesen volumetrischen Schwingungen gibt es Schwingungsmoden, die an der Grenze der Plasmasäule lokalisiert sind. Diese Moden reagieren sehr empfindlich auf den Zustand des Plasmas an der äußersten Peripherie; ihr Verhalten wird durch atomare Prozesse kompliziert. Ext. und intern Vibrationsmodi können die Prozesse der Wärme- und Teilchenübertragung stark beeinflussen; sie führen zur Möglichkeit eines Plasmaübergangs von einem magnetischen Modus. Wärmedämmung zum anderen und zurück. Wenn im Plasma T. die Pasehr unterschiedlich ist, dann besteht die Möglichkeit der Entwicklung einer Kinetik. Instabilitäten. Zum Beispiel mit der Geburt einer großen Anzahl außer Kontrolle geratener Elektronen, den sogenannten Ventilatorinstabilität, die zur Umwandlung der longitudinalen Elektronenenergie in transversale Energie führt. Kinetisch. Instabilitäten entstehen auch in Gegenwart hochenergetischer Ionen, die bei Komplementärbildung entstehen. Erhitzen des Plasmas.

Plasmaheizung. Das Plasma jedes T. wird aufgrund der Jouleschen Wärme des durchfließenden Stroms automatisch erhitzt. Die Freisetzung von Joule-Energie reicht aus, um eine Temperatur von mehreren zu erreichen. Millionen Grad Für die kontrollierte Kernfusion werden Temperaturen >10 8 K benötigt, daher werden alle großen T. durch leistungsstarke Systeme ergänzt Plasmaheizung. Zu diesem Zweck werden entweder Elektromagnete verwendet. Wellen zerfielen Bereiche oder lenken schnelle Teilchen in Plasma. Für die Hochfrequenz-Plasmaerwärmung ist es zweckmäßig, Resonanzen zu verwenden, die internen entsprechen. oszillieren Prozesse im Plasma. Beispielsweise ist es zweckmäßig, die Ionenkomponente im Bereich der Harmonischen der Zyklotron- oder Grundfrequenzen zu erwärmen. Plasmaionen oder speziell ausgewählte Zusatzionen. Elektronen werden durch Elektronenzyklotronresonanz erhitzt.

Beim Erhitzen von Ionen mit schnellen Teilchen werden üblicherweise leistungsstarke Strahlen neutraler Atome verwendet. Solche Strahlen interagieren nicht mit dem Magnetismus. Feld und dringen tief in das Plasma ein, wo sie ionisiert und vom Magnetismus eingefangen werden. Feld T.

Mit Hilfe zusätzlicher Heizmethoden ist es möglich, die Plasmatemperatur T. auf >3·10 8 K zu erhöhen, was völlig ausreicht, um eine starke thermonukleare Reaktion ablaufen zu lassen. In zukünftigen T.-Reaktoren, die entwickelt werden, wird die Plasmaerwärmung durch hochenergetische Alphateilchen erfolgen, die aus der Fusionsreaktion von Deuterium- und Tritiumkernen entstehen.

Stationärer Tokamak. Typischerweise fließt Strom im Plasma nur in Gegenwart eines elektrischen Wirbelstroms. Feld, das durch die Vergrößerung des Magnetfeldes entsteht. Strömung im Induktor. Der induktive Mechanismus zur Aufrechterhaltung des Stroms ist zeitlich begrenzt, sodass der entsprechende Plasmaeinschlussmodus gepulst ist. Allerdings ist nicht nur der gepulste Modus möglich, sondern auch die Erwärmung des Plasmas kann zur Aufrechterhaltung des Stroms genutzt werden, wenn neben der Energie auch ein für verschiedene Komponenten des Plasmas unterschiedlicher Puls auf das Plasma übertragen wird. Die Aufrechterhaltung des nichtinduktiven Stroms wird dadurch erleichtert, dass das Plasma selbst während seiner Diffusionsexpansion zu den Wänden Strom erzeugt (Bootstrap-Effekt). Der Bootstrap-Effekt wurde von neoklassischen Wissenschaftlern vorhergesagt. Theorie und dann experimentell bestätigt. Experimente zeigen, dass T.-Plasma stationär gehalten werden kann und Ch. Bemühungen, praktisch Die Entwicklung des stationären Modus zielt darauf ab, die Effizienz der laufenden Wartung zu steigern.

Umleiter, Verunreinigungskontrolle. Für die kontrollierte Kernfusion wird hochreines Plasma auf Basis von Wasserstoffisotopen benötigt. Um die Beimischung anderer Ionen in das Plasma zu begrenzen, wurde im frühen T. das Plasma auf die sogenannten begrenzt. l i m i t e r o m (Abb. 2, A), also eine Membran, die verhindert, dass das Plasma mit der großen Oberfläche der Kammer in Kontakt kommt. Im modernen T. eine wesentlich komplexere Divertorkonfiguration verwendet wird (Abb. 2, B), erzeugt durch poloidale Magnetspulen. Felder. Diese Spulen sind auch für Plasma mit rundem Querschnitt notwendig: Mit ihrer Hilfe wird die vertikale magnetische Komponente erzeugt. Felder, Kanten bei der Interaktion mit dem Main. Der Plasmastrom erlaubt es nicht, dass die Plasmaspule in Richtung eines großen Radius an die Wand geschleudert wird. In der Divertorkonfiguration sind es die Windungen des Poloidmagneten. Die Felder sind so angeordnet, dass der Plasmaquerschnitt in vertikaler Richtung verlängert wird. Gleichzeitig geschlossen magnetisch Oberflächen bleiben nur im Inneren erhalten; außen verlaufen seine Kraftlinien in die Divertorkammern, wo die von der Hauptoberfläche fließenden Plasmaströme neutralisiert werden. Volumen. In Divertorkammern ist es durch die Zugabe möglich, die Belastung der Divertorplatten durch das Plasma zu mildern. Plasmakühlung bei atomaren Wechselwirkungen.

Reis. 2. Plasmaquerschnitt mit kreisförmigem Querschnitt ( A) und vertikal verlängert, um eine Divertorkonfiguration zu bilden ( 6): 1-Plasma; 2-Begrenzer; 3 - Kammerwand; 4 - Separatrix; 5-Diverter-Kammer; 6 - Umlenkplatten.

Tokamak-Reaktor. CH. Das Ziel der Forschung an T.-Installationen besteht darin, das Konzept des Magnetismus zu beherrschen. Plasmaeindämmung für Kreaturen Fusionsreaktor. Auf T. ist es möglich, ein stabiles Hochtemperaturplasma mit einer für einen thermonuklearen Reaktor ausreichenden Temperatur und Dichte zu erzeugen; Es wurden Gesetze zur thermischen Isolierung von Plasma erlassen. Methoden zur Aufrechterhaltung des Stroms und zur Kontrolle des Verunreinigungensgrads werden beherrscht. Die Arbeit an T. geht von der rein körperlichen Phase aus. Forschung in der Phase der Erstellung von Experimenten. .

Zündete.: Artsimovich L. A., Managed, 2. Aufl., M., 1963; Lukyanov S. Yu., Heißes Plasma und kontrollierte Kernfusion, M., 1975; Kadomtsev B.V., Tokamak-Plasma ein komplexes physikalisches System, L., 1992. B. B. Kadomtsev.

Tokamak (Toroidkammer mit Magnetspulen) ist eine toroidale Anlage zur magnetischen Eingrenzung von Plasma, um die notwendigen Bedingungen für die kontrollierte thermonukleare Fusion zu schaffen. Das Plasma in einem Tokamak wird nicht von den Wänden der Kammer gehalten, die seiner Temperatur nur bis zu einer bestimmten Grenze standhalten können, sondern von einem speziell erzeugten Magnetfeld. Im Vergleich zu anderen Installationen, die ein Magnetfeld zum Einschließen des Plasmas verwenden, besteht ein Tokamak-Merkmal darin, dass ein elektrischer Strom durch das Plasma fließt, um das Poloidfeld zu erzeugen, das zum Komprimieren, Erhitzen und Aufrechterhalten des Gleichgewichts des Plasmas erforderlich ist. Dies unterscheidet sich insbesondere von einem Stellarator, einem der alternativen Einschlusssysteme, bei dem mithilfe von Magnetspulen sowohl toroidale als auch poloidale Felder erzeugt werden. Da das Plasmafilament jedoch ein Beispiel für ein instabiles Gleichgewicht ist, wurde das Tokamak-Projekt noch nicht umgesetzt und befindet sich im Stadium extrem teurer Experimente, die die Installation erschweren.

Es ist auch zu beachten, dass der Tokamak im Gegensatz zu spaltbaren Reaktoren (von denen jeder ursprünglich separat in seinen eigenen Ländern entworfen und entwickelt wurde) derzeit gemeinsam im Rahmen des internationalen wissenschaftlichen Projekts ITER entwickelt wird.

Tokamak-Magnetfeld und -Fluss.

Geschichte

Briefmarke der UdSSR, 1987.

Der Vorschlag, die kontrollierte Kernfusion für industrielle Zwecke zu nutzen, und ein spezifisches Schema zur thermischen Isolierung von Hochtemperaturplasma durch ein elektrisches Feld wurden erstmals Mitte der 1950er Jahre vom sowjetischen Physiker O. A. Lavrentiev in einer Arbeit formuliert. Diese Arbeit diente als Katalysator für die sowjetische Forschung zum Problem der kontrollierten Kernfusion. A.D. Sacharow und I.E. Tamm schlugen 1951 eine Änderung des Schemas vor und schlugen eine theoretische Grundlage für einen thermonuklearen Reaktor vor, bei dem das Plasma die Form eines Torus hätte und von einem Magnetfeld umschlossen wäre.

Der Begriff „Tokamak“ wurde später von Igor Nikolajewitsch Golowin, einem Schüler des Akademiemitglieds Kurtschatow, geprägt. Anfangs klang es wie „tokamag“ – eine Abkürzung für die Worte „toroidale Magnetkammer“, aber N.A. Yavlinsky, der Autor des ersten toroidalen Systems, schlug vor, „-mag“ durch „-mac“ für Wohlklang zu ersetzen. Später wurde dieser Name von vielen Sprachen übernommen.

Der erste Tokamak wurde 1955 gebaut und lange Zeit existierten Tokamaks nur in der UdSSR. Erst nach 1968, als der T-3-Tokamak am Institut für Atomenergie gebaut wurde. I.V. Kurchatov, unter der Leitung des Akademikers L.A. Artsimovich, wurde eine Plasmatemperatur von 10 Millionen Grad erreicht, und englische Wissenschaftler bestätigten mit ihrer Ausrüstung diese Tatsache, die sie zunächst nicht glauben wollten, ein echter Tokamak-Boom begann in der Welt. Seit 1973 wurde das Forschungsprogramm für Plasmaphysik an Tokamaks von Boris Borisovich Kadomtsev geleitet.

Derzeit gilt ein Tokamak als das vielversprechendste Gerät zur Umsetzung einer kontrollierten Kernfusion.

Gerät

Ein Tokamak ist eine toroidale Vakuumkammer, auf die Spulen gewickelt sind, um ein toroidales Magnetfeld zu erzeugen. Die Luft wird zunächst aus der Vakuumkammer abgepumpt und anschließend mit einer Mischung aus Deuterium und Tritium gefüllt. Anschließend wird mithilfe eines Induktors ein elektrisches Wirbelfeld in der Kammer erzeugt. Der Induktor ist die Primärwicklung eines großen Transformators, bei dem die Tokamak-Kammer die Sekundärwicklung ist. Das elektrische Feld bewirkt, dass Strom fließt und die Plasmakammer zündet.

Der durch das Plasma fließende Strom erfüllt zwei Aufgaben:

erhitzt das Plasma auf die gleiche Weise wie jeder andere Leiter (ohmsche Erwärmung);

erzeugt ein Magnetfeld um sich herum. Dieses Magnetfeld wird poloidal genannt (d. h. entlang von Linien gerichtet, die durch die Pole des sphärischen Koordinatensystems verlaufen).

Das Magnetfeld komprimiert den durch das Plasma fließenden Strom. Dadurch entsteht eine Konfiguration, in der spiralförmige Magnetfeldlinien die Plasmaschnur „verdrehen“. In diesem Fall stimmt der Schritt bei der Drehung in toroidaler Richtung nicht mit dem Schritt in poloidaler Richtung überein. Es stellt sich heraus, dass die magnetischen Linien nicht geschlossen sind; sie drehen sich unendlich oft um den Torus und bilden die sogenannten „magnetischen Oberflächen“ in Ringform.

Für einen stabilen Plasmaeinschluss in einem solchen System ist das Vorhandensein eines poloidalen Feldes erforderlich. Da es durch die Erhöhung des Stroms im Induktor entsteht und nicht unendlich sein kann, ist die Zeit der stabilen Existenz von Plasma in einem klassischen Tokamak begrenzt. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden zusätzliche Methoden zur Aufrechterhaltung des Stroms entwickelt. Zu diesem Zweck kann die Injektion beschleunigter neutraler Atome von Deuterium oder Tritium oder Mikrowellenstrahlung in das Plasma genutzt werden.

Zur Ansteuerung des Plasmakabels sind neben Ringspulen auch zusätzliche Poloidfeldspulen erforderlich. Es handelt sich um Ringwindungen um die vertikale Achse der Tokamak-Kammer.

Die Erwärmung allein durch den Stromfluss reicht nicht aus, um das Plasma auf die für eine thermonukleare Reaktion erforderliche Temperatur aufzuheizen. Zur zusätzlichen Erwärmung wird Mikrowellenstrahlung bei sogenannten Resonanzfrequenzen (die beispielsweise mit der Zyklotronfrequenz von Elektronen oder Ionen übereinstimmen) oder die Injektion schneller neutraler Atome verwendet.

Tokamaks und ihre Eigenschaften

Insgesamt wurden weltweit etwa 300 Tokamaks gebaut. Die größten davon sind unten aufgeführt.

UdSSR und Russland

T-3 ist das erste funktionsfähige Gerät.

T-4 – vergrößerte Version von T-3

T-7 ist eine einzigartige Anlage, in der zum ersten Mal weltweit ein relativ großes Magnetsystem mit einem supraleitenden Magneten auf Basis von Zinnniobat, gekühlt durch flüssiges Helium, zum Einsatz kommt. Die Hauptaufgabe von T-7 wurde abgeschlossen: Die Aussicht auf die nächste Generation supraleitender Magnetspulen für die thermonukleare Energieerzeugung wurde vorbereitet.

T-10 und PLT sind der nächste Schritt in der weltweiten thermonuklearen Forschung. Sie haben fast die gleiche Größe, die gleiche Leistung und den gleichen Einschlussfaktor. Und die erzielten Ergebnisse sind identisch: In beiden Reaktoren wurde die Temperatur der Kernfusion erreicht, und die Verzögerung nach dem Lawson-Kriterium betrug das 200-fache.

T-15 ist ein heutiger Reaktor mit einem supraleitenden Magneten, der ein Induktionsfeld von 3,6 Tesla erzeugt.

China

OST – befindet sich in der Stadt Hefei, Provinz Anhui. Das Lawson-Kriterium für den Zündgrad wurde am Tokamak überschritten, der Energieabgabekoeffizient betrug 1,25

7 Milliarden Tenge aus dem Staatshaushalt wurden in den Bau investiert und 6 Jahre Zwangspause auf der Suche nach Finanzierungsquellen. Das kasachische Materialwissenschafts-Tokamak-Projekt stand kurz vor dem Abschluss. Allerdings hat sich die Situation durch neue Richtungen der internationalen Zusammenarbeit radikal verändert. Der Journalist Grigory Bedenko besuchte Kurchatov und erstellte speziell für Infromburo.kz einen Bericht über die Aussichten für die Forschung auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusion.

Eine kleine Geschichte

Mitte des 20. Jahrhunderts beherrschten die am weitesten entwickelten Länder der Welt sehr schnell die Atomenergie und lernten, sie sowohl in militärischen Waffenprogrammen als auch zur Erzeugung großer Mengen thermischer und elektrischer Energie für friedliche Zwecke einzusetzen. Allerdings erwies sich der Prozess des kontrollierten Zerfalls des Atomkerns als äußerst unsicher für die Umwelt. Unfälle in Kernkraftwerken und die enorme Problematik der Entsorgung hochradioaktiver Abfälle haben dieser Energieform ihre Perspektive genommen. Dann, in der Mitte des Jahrhunderts, stellten Wissenschaftler die Hypothese auf, dass die kontrollierte Kernfusion eine Alternative sein könnte. Experten schlugen vor, die in den Tiefen der Sterne ablaufenden Prozesse unter terrestrischen Bedingungen zu wiederholen und zu lernen, sie nicht nur zu kontrollieren, sondern auch Energie in den für die Existenz der Zivilisation notwendigen Mengen zu gewinnen. Bekanntlich basiert die Kernfusion auf dem Prinzip der Verschmelzung leichter Wasserstoffkerne zu schwereren unter Bildung von Helium. In diesem Fall wird viel mehr Energie freigesetzt als beim umgekehrten Prozess, wenn die Kerne schwerer Elemente unter enormer Energiefreisetzung und Bildung von Isotopen verschiedener Elemente des Periodensystems in leichtere geteilt werden. In thermonuklearen Reaktoren gibt es keine schädlichen Auswirkungen oder gefährlichen Produktionsabfälle.

Schema des internationalen experimentellen thermonuklearen Reaktors ITER

Es ist merkwürdig, dass der thermonukleare Fusionsprozess selbst für Waffenprogramme recht einfach nachgebildet werden konnte, die Entwicklung friedlicher Energieprojekte erwies sich jedoch als nahezu unmögliche Aufgabe. Das Wichtigste bei einer Wasserstoffbombe besteht tatsächlich darin, den Fusionsprozess zu starten, der in Nanosekunden abläuft. Ein thermonuklearer Hochleistungsreaktor erfordert jedoch besondere Bedingungen. Um Energie zu gewinnen, ist es notwendig, Hochtemperaturplasma über einen bestimmten Zeitraum in einem kontrollierten Zustand zu halten – es wird von 10 auf 30 Millionen Grad Celsius erhitzt. Durch den Einschluss eines solchen Plasmas werden physikalische Bedingungen für die Verschmelzung leichter Deuterium- und Tritiumkerne zu schweren geschaffen. Darüber hinaus sollte mehr Energie freigesetzt werden, als für das Erhitzen und Einschließen des Plasmas aufgewendet wird. Es wird angenommen, dass ein einzelner Puls mit kontrollierter thermonuklearer Fusion mit einem positiven Energiefreisetzungskoeffizienten mindestens 500 Sekunden dauern sollte. Aber für eine solche Zeit und bei solchen Temperaturen wird ihm kein einziges Strukturmaterial eines vielversprechenden Reaktors standhalten. Es wird einfach verdunsten. Und Wissenschaftler auf der ganzen Welt kämpfen seit mehr als einem halben Jahrhundert fast vergeblich mit dem Problem der Materialwissenschaften.

Plasma, gewonnen am kasachischen Materialwissenschafts-Tokamak / Materialien, bereitgestellt vom Institut für Atomenergie des Nationalen Nuklearzentrums der Republik Kasachstan

Materialien bereitgestellt vom Institut für Atomenergie NNC RK

Dieses Video mit hoher Zeitlupe zeigt die Bildung von Plasma in einem kasachischen Tokamak (Materialien bereitgestellt vom Institut für Atomenergie des Nationalen Nuklearzentrums der Republik Kasachstan).

Plasmabildung bei CFT

Was sind Tokamak und Stellarator?

Die Abkürzung ist russisch, da die erste Anlage in der Sowjetunion entwickelt wurde. Ein Tokamak ist eine Ringkammer mit Magnetspulen. Ein Torus ist eine dreidimensionale geometrische Figur (in einfachen Worten wie ein Donut geformt), und ein Toroid ist ein dünner Draht, der um einen torusförmigen Rahmen gewickelt ist. Dadurch wird Hochtemperaturplasma in der Anlage gebildet und in Form eines Torus gehalten. In diesem Fall besteht das Hauptprinzip eines Tokamaks darin, dass das Plasma nicht mit den Wänden der Kammer interagiert, sondern sozusagen im Raum hängt, gehalten von einem superstarken Magnetfeld. Das Schema zur thermischen Isolierung von Plasma und die Methode zur Nutzung solcher Anlagen für industrielle Zwecke wurden erstmals vom sowjetischen Physiker Oleg Alexandrowitsch Lawrentjew vorgeschlagen. Der erste Tokamak wurde 1954 gebaut und existierte lange Zeit nur in der UdSSR. Bis heute wurden weltweit etwa zweihundert ähnliche Geräte gebaut. Derzeit sind in Russland, den USA, Japan, China und der Europäischen Union Ringkernkammern zur Untersuchung der kontrollierten Kernfusion in Betrieb. Das größte internationale Projekt in diesem Bereich ist ITER (dazu später mehr). Der Initiator des Baus eines materialwissenschaftlichen Tokamaks in Kasachstan war der Leiter des russischen Kurchatov-Instituts, Akademiker Evgeny Pavlovich Velikhov. Seit 1975 leitete er das von der Sowjetunion kontrollierte Fusionsreaktorprogramm. Die Idee, eine Anlage auf dem ehemaligen Atomtestgelände Semipalatinsk zu errichten, entstand 1998, als Welichow sich mit dem Präsidenten der Republik Kasachstan, Nursultan Nasarbajew, traf.

Schema des Plasmaeinschlusses in einem Stellarator / Materialien bereitgestellt vom Institut für Atomenergie NNC RK

Ein Stellarator ist ein alternativer Reaktortyp zum Tokamak zur Durchführung einer kontrollierten Kernfusion. 1950 vom amerikanischen Astrophysiker Lyman Spitzer erfunden. Der Name leitet sich vom lateinischen Wort stella (Stern) ab, das auf die Ähnlichkeit von Prozessen im Inneren von Sternen und in einer von Menschenhand geschaffenen Installation hinweist. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Magnetfeld zur Isolierung des Plasmas von den Innenwänden der Kammer vollständig durch externe Spulen erzeugt wird, was den Einsatz im Dauerbetrieb ermöglicht. Das Plasma im Stellarator hat die Form eines „zerknitterten Donuts“ und ist sozusagen verdreht. Heute gibt es Forschungsstellaratoren in Russland, der Ukraine, Deutschland und Japan. Darüber hinaus wurde kürzlich in Deutschland der weltgrößte Stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) gestartet.

Kasachischer Materialwissenschafts-Tokamak / Grigory Bedenko

„Das sind alles Forschungseinrichtungen“, sagt der Leiter der wissenschaftlichen Gruppe des KTM-Projekts. Stellarator unterscheidet sich in der Konfiguration seines Magnetfeldes. In einem Tokamak werden zur Eindämmung des Plasmas eine sogenannte toroidale Wicklung und eine poloidale Außenwicklung verwendet. Aber in einem Stellarator ist es umgekehrt – es gibt eine spiralförmig gewickelte Wicklung, die sowohl die Funktion eines Toroids als auch eines Poloids erfüllt. Der Tokamak ist zunächst eine gepulste Anlage und der Stellarator eine eher stationäre Anlage, d. h. der Vorteil der verdrillten Wicklung ermöglicht es, das Plasma auf unbestimmte Zeit zu halten. Stellaratoren wurden gleichzeitig mit Tokamaks entwickelt, und einst waren Tokamaks führend bei den Plasmaparametern. Die „Prozession“ der Tokamaks hat auf der ganzen Welt begonnen. Dennoch entwickeln sich Stellaratoren. Sie sind in Japan erhältlich, sie wurden kürzlich in Deutschland gebaut – der Wendelstein 7-X (W7-X) wurde in Betrieb genommen. In den USA gibt es einen Stellarator. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Forschungsanlagen aller Art mit teilweise magnetischem Plasmaeinschluss – das sind verschiedene Fallen. Es gibt auch die Trägheitsfusion, bei der ein kleines Ziel durch Laserstrahlung erhitzt wird. Das ist so eine kleine thermonukleare Explosion.

Einheiten und Baugruppen des oberen Teils der Installation / Grigory Bedenko

Und doch gilt der Tokamak heute als der vielversprechendste industrielle thermonukleare Reaktor.

Technologiegebäude, in dem sich KTM befindet / Grigory Bedenko

Tokamak in Kasachstan

Die kasachische Anlage wurde bis 2010 an einem speziell dafür vorgesehenen Standort in der Verwaltungszone des ehemaligen Testgeländes Semipalatinsk – der Stadt Kurtschatow – errichtet. Der Komplex besteht aus mehreren Technologiegebäuden, in denen Tokamak-Komponenten und -Baugruppen sowie Werkstätten, Räume für die Datenverarbeitung, Personalunterkünfte usw. untergebracht sind. Das Projekt wurde in Russland auf der Grundlage des Nationalen Zentrums für Thermonukleare Forschung (Kurchatov-Institut) entwickelt. Die Vakuumkammer, Magnetspulen usw. wurden am gleichnamigen Forschungsinstitut für elektrophysikalische Geräte entworfen und montiert. D.V. Evremov (Forschungsinstitut EFA), Automatisierung – am Tomsker Polytechnischen Institut. Zu den Teilnehmern des Projekts von russischer Seite gehörten auch das Allrussische Institut für Strömungen (NII TVCH) und TRINITI (Troizker Institut für innovative und thermonukleare Forschung). Der Generalplaner aus Kasachstan war Promenergoproekt LLP, und der Kazelektromontazh UPC-Komplex wurde direkt installiert. Nachdem alle Arbeiten abgeschlossen waren, wurde das CTM gestartet und produzierte das erste Plasma. Dann wurde die Finanzierung des Projekts eingestellt und der Tokamak verwandelte sich sechs lange Jahre lang in eine teure High-Tech-Touristenattraktion.

Installation von Nachrüstgeräten für KTM / Grigory Bedenko

Zweites Leben von KTM

Das Projekt wurde am Vorabend der EXPO 2017 in Astana neu gestartet. Es passte perfekt zum Konzept der Weltausstellung, die sich der Energie der Zukunft widmet. Am 9. Juni wurde die Installation im Beisein zahlreicher Journalisten wieder in Betrieb genommen. Bei der Markteinführung waren russische Entwickler anwesend. Wie während der Zeremonie erklärt wurde, besteht der Zweck der ersten Phase des physischen Starts darin, die Standard-KTM-Systeme zu debuggen und zu testen. Laut dem Leiter des Nationalen Nuklearzentrums der Republik Kasachstan Erlan Batyrbekov werden Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern auf der Grundlage des kasachischen Tokamaks außerdem in der Lage sein, eine breite Palette von Forschungsarbeiten durchzuführen, einschließlich der Modernisierung bestehender Industriereaktoren.

Der AC-Wandler für KTM sieht futuristisch aus / Grigory Bedenko

Dann entwickelte sich die Situation in eine noch günstigere Richtung. Während der Ministerkonferenz und des VIII. Internationalen Energieforums in Astana erhielt Kasachstan eine offizielle Einladung, assoziiertes Mitglied der Internationalen Organisation ITER zu werden. Der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor wird von einer Gruppe von Ländern geschaffen, um die Möglichkeit der kommerziellen Nutzung thermonuklearer Energie zu demonstrieren und physikalische und technologische Probleme in diesem Bereich zu lösen. Im Wesentlichen ist ITER ein riesiger und sehr komplexer Tokamak. An dem Projekt nehmen die Länder der Europäischen Union, Indien, China, Südkorea, Russland, die USA, Japan und jetzt auch unser Land teil. Von Kasachstan aus werden Spezialisten des Nationalen Nuklearzentrums und des Forschungsinstituts für experimentelle und theoretische Physik der Kasachischen Nationaluniversität Forschung zu diesem Thema durchführen. Al-Farabi, Institut für Kernphysik, Ulba Metallurgical Plant, KazNIPIEnergoprom und Kazelektromash. ITER wird in Frankreich, 60 Kilometer von Marseille entfernt, entstehen. Derzeit werden die Kosten des Projekts auf 19 Milliarden Euro geschätzt. Der Start der Installation ist für 2025 geplant.

Baurzhan Chektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, Leiter der wissenschaftlichen Gruppe des CT-ProjektsM

Am 10. Juni wurde ein Memorandum über die gemeinsame Forschung von ITER und KTM abgeschlossen. Im Rahmen dieser Vereinbarung wird derzeit ein Projekt zur Zusammenarbeit mit der Internationalen Organisation ITER vorbereitet. Sie interessieren sich für unsere Installation. Auch das ITER-Projekt selbst ist nicht einfach; es gibt ein Materialproblem. Im Rahmen des Projekts werden wir Wolfram und Beryllium untersuchen. Bestimmte Komponenten und Teile von ITER werden aus diesem Material hergestellt. Wir werden sie einrennen. Die gesamte erste Wand des ITER-Reaktors wird mit Wolfram- und Berylliumfliesen ausgekleidet. Die Vakuumkammer selbst besteht aus einem Diverter, in den Plasmaströme fließen; dort ist die intensivste Stelle – 20 MW pro Quadratmeter. Es wird Wolfram geben. Der Rest der ersten Wand wird mit Beryllium ausgekleidet.

KTM ist aus technologischer Sicht ein sehr komplexes System / Grigory Bedenko

- Warum inITERInteresse an unserem Tokamak?

Neben der Materialwissenschaft ist die Aufgabe unserer Anlage die Erforschung der Plasmaphysik. CTM ist hinsichtlich des Seitenverhältnisses einzigartig. Es gibt einen solchen Parameter, einen der wichtigsten für Tokamaks – das Verhältnis des großen Radius von der Achse zum Zentrum des Plasmas zum kleinen, also von der Plasmaachse zu seinen Rändern. Für uns ist dieser Parameter gleich zwei. Im selben ITER - 3.1. Alle Tokamaks mit mehr als 3 sind klassisch. Es gibt eine moderne Richtung von Tokamaks – das sind kugelförmige Tokamaks, bei denen das Seitenverhältnis weniger als 2 beträgt – eineinhalb und noch weniger – das sind kühle, fast kugelförmige Kammern. Unser Tokamak befindet sich gewissermaßen in einer Grenzposition zwischen klassischen und kugelförmigen Tokamaks. Solche Installationen gab es noch nicht, und hier werden meiner Meinung nach interessante Untersuchungen zum Verhalten von Plasma durchgeführt. Solche Anlagen gelten als zukünftige Hybridreaktoren oder volumetrische Neutronenquellen.

Der untere Teil der KTM-Vakuumkammer / Foto von Grigory Bedenko

- Wie vielversprechend ist die Zusammenarbeit mitITER?Wird das Projekt dadurch gespeichert?

Im Jahr 2010 erfolgte ein Probestart mit der damals verfügbaren Ausrüstung und Einsatzbereitschaft. Die Aufgabe bestand darin, zu zeigen, dass die Installation „atmet“ und funktionsfähig ist. Im selben zehnten Jahr gingen uns die Mittel aus. Dann folgten sechs Jahre Inaktivität. Die ganze Zeit haben wir um das Budget gekämpft. Es wurde bereits 2006 genehmigt und musste komplett überarbeitet werden. Etwa 80 % unserer Ausrüstung stammt aus dem Ausland, und im Zusammenhang mit bekannten Ereignissen im globalen Finanzsystem ist die Anlage deutlich teurer geworden als ursprünglich geplant. Im Jahr 2016 wurden nach Anpassung des Projektbudgets zusätzliche Mittel bereitgestellt. Die Installation hat den kasachischen Haushalt bereits 7 Milliarden Tenge gekostet. Dazu gehören Bau- und Installationsarbeiten, die Herstellung einer Vakuumkammer und eines elektromagnetischen Systems.

Forscher müssen Alleskönner sein / Grigory Bedenko

- Was passiert jetzt? Im Juni gab es einen Probelauf.

Jetzt befindet sich die Gründung von KTM in der Endphase. Derzeit wird mit der Installation und Inbetriebnahme der Haupt- und Hilfssysteme begonnen. Wir haben einen Vertrag mit dem Generalunternehmer geschlossen, der die Ausschreibung gewonnen hat. Es gibt zwei Unternehmen, eines beschäftigt sich mit Bau- und Installationsarbeiten, das zweite mit Inbetriebnahmearbeiten. „KazIntelgroup“ ist mit Bau- und Installationsarbeiten beschäftigt, „Quality Guarantor XXI Century“ ist mit der Inbetriebnahme beschäftigt. Der Bau der Anlage soll noch in diesem Jahr abgeschlossen sein. Dann, noch vor Jahresende, erfolgt die physische Markteinführung. Im Jahr 2018 wird die Anlage in Betrieb genommen und mit groß angelegten Experimenten begonnen. Wir planen, innerhalb von drei Jahren die nominellen Designparameter zu erreichen, die in der Installation enthalten sind, und dann die Materialien weiter zu erforschen.

An manchen Stellen ähnelt die KTM einem außerirdischen Schiff / Foto von Grigory Bedenko

- Wie läuft es bei Ihnen mit der Auswahl der Mitarbeiter?

Die meisten jungen Fachkräfte sind Absolventen kasachischer Universitäten aus Ust-Kamenogorsk, Pawlodar und Semei. Einige haben an russischen Universitäten studiert, beispielsweise an der Polytechnischen Universität Tomsk. Das Personalproblem ist akut. Dem Projekt zufolge sollen es etwa 120 Personen sein, 40 Personen arbeiten. Nächstes Jahr, wenn der Komplex in Betrieb genommen wird, wird es neue Mitarbeiter geben. Die Suche nach Spezialisten auf diesem Gebiet ist jedoch eine separate und schwierige Aufgabe.

Dmitry Olkhovik, Leiter der Abteilung für KTM-Experimentautomatisierungssysteme

Die Besonderheit des CFT besteht darin, dass er über eine Rotationsumlenkvorrichtung verfügt, d. h. alle untersuchten Materialien können in der Kammer gedreht werden. Darüber hinaus gibt es auch ein Transport-Gateway-Gerät. Dadurch ist es möglich, die untersuchten Materialien wieder aufzuladen, ohne die Vakuumkammer drucklos zu machen. Bei anderen Installationen gibt es gewisse Schwierigkeiten: Wenn die Kammer drucklos gemacht wurde, sind mindestens ein bis zwei Wochen erforderlich, um sie wieder für neue Starts vorzubereiten. Wir können Testmuster problemlos in einer Kampagne austauschen, ohne Zeit mit der Druckentlastung zu verschwenden. Darin liegt der wirtschaftliche Vorteil der Anlage.

Einige Arten von Neugeräten sind noch in der Originalverpackung / Grigory Bedenko

- Wie werden die Experimente durchgeführt?

An solchen Anlagen werden pro Jahr zwei Versuchskampagnen durchgeführt. Beispielsweise führen wir im Frühjahr eine Kampagne durch, im Sommer analysieren wir die gewonnenen Daten und planen weitere Experimente. Die zweite Kampagne findet im Herbst statt. Die Kampagne selbst dauert zwei bis drei Monate. Auf dem Weg zur Schaffung eines Kernfusionsreaktors gibt es zwei Hauptprobleme. Die erste besteht darin, die Technologie zur Erzeugung und Speicherung von Plasma zu entwickeln, die zweite darin, Materialien zu entwickeln, die direkt auf das Plasma einwirken, da Plasma eine hohe Temperatur hat. Riesige Energieströme fliegen und beeinflussen das Material. Das Material wiederum wird zerstört und verteilt. Und der Eintritt dieser Partikel in das Plasma hat äußerst negative Auswirkungen. Plasma ist sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Sie kühlen das Plasma ab und löschen es schließlich. Es gibt auch das Thema Neutroneneffekte auf Strukturmaterialien. Unser Tokamak testet Materialien auf ihre Hitzebeständigkeit. Das bedeutet, dass sie nicht sprühbar und plasmaverträglich sind. Als solche Materialien werden Wolfram und Beryllium untersucht. Wir werden sie testen und sehen, wie sie sich unter Bedingungen hoher Plasmaflüsse verhalten, genau wie bei ITER.

Bei KTM / Grigory Bedenko werden enorme Stromströme eingesetzt

- Welche Arbeiten werden zur Nachrüstung der KTM durchgeführt?

Installation von technologischen Systemen für Vakuumsysteme, Kühlsysteme. Es handelt sich hierbei um eine sehr komplexe Elektroinstallation. Um ein Magnetfeld zu erzeugen, muss dem Netzwerk viel Energie entnommen werden. Für die Energieumwandlung gibt es einen gewissen Komplex. Ausgehend vom gepulsten Stromversorgungssystem werden viele Trägertransformatoren verwendet, und es kommt ein Territor-Konverterkomplex zum Einsatz, also ein recht komplexes System in Bezug auf Betrieb, Steuerung und das System ist sehr verteilt. Das heißt, all diese Arbeiten werden jetzt durchgeführt, die Stromversorgung wird angepasst.

Die Arbeit ist sehr mühsam / Grigory Bedenko

Arbeiten mit neuer KTM-Ausrüstung

Der Betrieb solcher Anlagen erfordert sehr viel Strom. Wird KTM viel verbrauchen?

Im Nennbetrieb beträgt die Stromaufnahme aus dem Netz etwa 80-100 MW. Für ein Experiment. Außerdem gibt es serienmäßig eine Zusatzheizung, die ebenfalls Energie aus dem Netz pumpt.

Magnetspulen-Stromversorgungssystem / Grigory Bedenko

Es ist bekannt, dass in Kasachstan ein erheblicher Teil der Bevölkerung an Radiophobie leidet. Das sind die sozialpsychologischen Folgen von Atomtests. Wie sicher wird Ihre Forschung sein?

Es wird angenommen, dass die kontrollierte Kernfusion eine alternative umweltfreundliche Energiequelle ist. Unfälle wie Tschernobyl, Fukushima usw. können hier physisch einfach nicht passieren. Das Schlimmste, was passieren kann, ist die Druckentlastung der Vakuumkammer, in der sich das Plasma befindet. In diesem Fall wird das Plasma gelöscht und die wenigen Gramm thermonuklearen Brennstoffs, die sich in der Kammer befanden, treten aus.

Oberer Teil der Installation / Grigory Bedenko

Und noch ein paar interessante Fakten über ITER, das größte internationale Projekt in der Geschichte dieser Forschung, in das unsere Experten große Hoffnungen setzen. Wie oben erwähnt, ist ITER eine internationale Organisation, die mehr als ein Dutzend Länder umfasst: Russland, Frankreich, Japan, China, Indien, die Europäische Union, Kanada und die USA. Interessanterweise erfolgt der Beitrag jedes Landes zum Projekt in Form von Fertigprodukten. Russland stellt beispielsweise einige kryogene Wicklungen auf Basis von Supraleitern, Energieanlagen usw. her.

Arbeiten am Aufbau des Stromversorgungssystems bei KTM / Grigory Bedenko

ITER ist noch keine Energieanlage, es wird keine Energie liefern. Dies ist eine technologische Demonstration der Machbarkeit der Herstellung von Plasma mit Energieabgabe. Nach ITER, wenn die Technologien entwickelt sind, wird ein Demonstrationsreaktor entstehen, der bereits Energie liefern wird. Dies wird irgendwo in den 40er bis 50er Jahren des 21. Jahrhunderts geschehen. Also 100 Jahre nach Beginn der Forschung zu diesem Thema.

KTM-Kontrollraum / Grigory Bedenko

Das ITER-Projekt hat einen Dauerbetrieb von etwa 500 Sekunden. Impulsreaktor. Grundsätzlich sind bis zu 1000 Sek. vorgesehen. - wie wird es weitergehen? Wenn alle Technologien ausgewählt, Materialien und Design genehmigt wurden, wird als nächstes DEMO erstellt. Es wurde bereits beschlossen, dass dieser Reaktor in Japan gebaut wird.

KTM-Einheiten / Grigory Bedenko

Anscheinend wird das Funktionsprinzip eines thermonuklearen Leistungsreaktors wie folgt sein. Das erste Element, das die Wärmeenergie des Plasmas absorbiert, wird in seinem Inneren Kanäle für den Wärmeaustausch enthalten. Dann ist alles wie in einem konventionellen Kraftwerk – das Kühlmittel des Sekundärkreislaufs erhitzen, die Turbinen hochdrehen und elektrische Energie erzeugen.

Gesamtansicht der KTM-Reaktorhalle / Grigory Bedenko

Der physische Start von ITER wird im Jahr 2025 erfolgen. Die Inbetriebnahme erfolgt im Jahr 2028. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit wird die Möglichkeit der Schaffung von Hybridreaktoren in Betracht gezogen, bei denen Neutronen aus der Kernfusion zur Spaltung von Kernbrennstoff genutzt werden.

Um die für den Eintritt notwendigen Voraussetzungen zu erreichen. Das Plasma in einem Tokamak wird nicht von den Wänden der Kammer gehalten, die der für thermonukleare Reaktionen erforderlichen Temperatur nicht standhalten können, sondern von einem speziell erzeugten kombinierten Magnetfeld – einem toroidalen äußeren und poloidalen Feld des durch das Plasma fließenden Stroms Kabel. Im Vergleich zu anderen Anlagen, die ein Magnetfeld zum Einschließen des Plasmas verwenden, ist die Verwendung von elektrischem Strom das Hauptmerkmal eines Tokamaks. Der Strom im Plasma sorgt für die Erwärmung des Plasmas und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts des Plasmafilaments in der Vakuumkammer. In dieser Hinsicht unterscheidet sich ein Tokamak insbesondere von einem Stellarator, einem der alternativen Einschlusssysteme, bei dem mithilfe externer Magnetspulen sowohl toroidale als auch poloidale Felder erzeugt werden.

Der Tokamak-Reaktor wird derzeit im Rahmen des internationalen Wissenschaftsprojekts ITER entwickelt.

Geschichte

Derzeit gilt der Tokamak als das vielversprechendste Gerät zur Umsetzung einer kontrollierten Kernfusion.

Gerät

Ein Tokamak ist eine toroidale Vakuumkammer, auf die Spulen gewickelt sind, um ein toroidales Magnetfeld zu erzeugen. Die Luft wird zunächst aus der Vakuumkammer abgepumpt und anschließend mit einer Mischung aus Deuterium und Tritium gefüllt. Dann verwenden Induktor In der Kammer entsteht ein elektrisches Wirbelfeld. Der Induktor ist die Primärwicklung eines großen Transformators, bei dem die Tokamak-Kammer die Sekundärwicklung ist. Das elektrische Feld bewirkt einen Stromfluss und eine Zündung in der Plasmakammer.

Der durch das Plasma fließende Strom erfüllt zwei Aufgaben:

erhitzt das Plasma auf die gleiche Weise wie jeder andere Leiter (ohmsche Erwärmung);
erzeugt ein Magnetfeld um sich herum. Dieses Magnetfeld heißt poloidal(d. h. entlang der durchgehenden Linien gerichtet Stangen sphärisches Koordinatensystem).

Für einen stabilen Plasmaeinschluss in einem solchen System ist das Vorhandensein eines poloidalen Feldes erforderlich. Da es durch die Erhöhung des Stroms im Induktor entsteht und nicht unendlich sein kann, ist die Zeit der stabilen Existenz von Plasma in einem klassischen Tokamak immer noch auf einige Sekunden begrenzt. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden zusätzliche Methoden zur Aufrechterhaltung des Stroms entwickelt. Zu diesem Zweck kann die Injektion beschleunigter neutraler Atome von Deuterium oder Tritium in das Plasma oder Mikrowellenstrahlung verwendet werden.

Zur Steuerung des Plasmakabels sind neben Ringspulen weitere erforderlich. poloidale Feldspulen. Es handelt sich um Ringwindungen um die vertikale Achse der Tokamak-Kammer.

Tokamaks und ihre Eigenschaften

Insgesamt wurden weltweit etwa 300 Tokamaks gebaut. Die größten davon sind unten aufgeführt.

UdSSR und Russland

Kasachstan

Der Kazakhstan Materials Research Tokamak (KTM) ist eine experimentelle thermonukleare Anlage zur Erforschung und Prüfung von Materialien in energienahen Belastungsregimen