توکامک چیست؟ راکتور حرارتی عصر جدیدی را برای بشریت باز خواهد کرد. حرکت تکنوکراتیک نصب توکامک

دستگاهی برای انجام واکنش همجوشی گرما هسته ای در پلاسمای داغ در حالت شبه ایستا، که در آن پلاسما در یک محفظه حلقوی ایجاد می شود و توسط یک میدان مغناطیسی تثبیت می شود. هدف از نصب، تبدیل انرژی درون هسته ای به گرما و سپس به برق است. کلمه "توکامک" خود مخفف نام "محفظه مغناطیسی حلقوی" است، اما سازندگان این نصب "g" را در پایان با "k" جایگزین کردند تا تداعی با چیزی جادویی ایجاد نشود.

انسان انرژی اتمی (هم در راکتور و هم در بمب) را با تقسیم هسته عناصر سنگین به هسته های سبک تر به دست می آورد. انرژی هر نوکلئون برای آهن حداکثر است (به اصطلاح "حداکثر آهن")، و از آن زمان حداکثر در وسط، سپس انرژی نه تنها در هنگام فروپاشی عناصر سنگین، بلکه در هنگام ترکیب عناصر سبک نیز آزاد می شود. این فرآیند همجوشی حرارتی هسته ای نامیده می شود و در یک بمب هیدروژنی و یک راکتور همجوشی رخ می دهد. بسیاری از واکنش های گرما هسته ای و واکنش های همجوشی شناخته شده هستند. منبع انرژی می تواند آنهایی باشد که سوخت ارزان قیمتی برای آنها وجود دارد و دو روش اساسی برای شروع واکنش همجوشی ممکن است.

روش اول "منفجره" است: بخشی از انرژی صرف رساندن مقدار بسیار کمی از ماده به حالت اولیه مورد نیاز می شود، یک واکنش سنتز رخ می دهد و انرژی آزاد شده به شکل مناسبی تبدیل می شود. در واقع، این یک بمب هیدروژنی است که تنها یک میلی گرم وزن دارد. یک بمب اتمی نمی تواند به عنوان منبع انرژی اولیه استفاده شود، "کوچک" نیست. بنابراین، فرض بر این بود که یک قرص میلی متری یخ دوتریوم-تریتیوم (یا یک کره شیشه ای با مخلوط فشرده دوتریوم و تریتیوم) از هر طرف توسط پالس های لیزری تحت تابش قرار می گیرد. چگالی انرژی روی سطح باید به گونه ای باشد که لایه بالایی قرص که به پلاسما تبدیل شده است تا دمایی گرم شود که فشار وارد بر لایه های داخلی و گرم شدن لایه های داخلی خود قرص برای این کار کافی باشد. واکنش سنتز در این حالت، نبض باید آنقدر کوتاه باشد که ماده ای که در یک نانوثانیه با دمای ده میلیون درجه به پلاسمای تبدیل شده است، فرصتی برای جدا شدن نداشته باشد، بلکه به داخل قرص فشار بیاورد. این فضای داخلی به تراکم صد برابر بیشتر از چگالی جامدات فشرده شده و تا صد میلیون درجه گرم می شود.

راه دوم مواد اولیه را می توان نسبتاً آهسته گرم کرد - آنها به پلاسما تبدیل می شوند و سپس انرژی را می توان به هر طریقی به آن وارد کرد تا زمانی که شرایط شروع واکنش به دست آید. برای اینکه یک واکنش گرما هسته ای در مخلوط دوتریوم و تریتیوم رخ دهد و انرژی خروجی مثبت به دست آید (زمانی که انرژی آزاد شده در نتیجه یک واکنش گرما هسته ای بیشتر از انرژی صرف شده برای این واکنش باشد)، ایجاد پلاسما ضروری است. با چگالی حداقل 10 14 ذره / سانتی متر مکعب (10 5 اتمسفر)، و آن را تا حدود 10 9 درجه حرارت دهید، در حالی که پلاسما کاملاً یونیزه می شود.

چنین گرمایی لازم است تا هسته ها بتوانند علی رغم دافعه کولن به یکدیگر نزدیک شوند. می توان نشان داد که برای به دست آوردن انرژی، این حالت باید حداقل برای یک ثانیه حفظ شود (به اصطلاح "معیار لاوسون"). فرمول دقیق تر از معیار لاوسون: حاصلضرب غلظت و زمان حفظ این حالت باید به ترتیب 10 15 سانتی متر مکعب باشد. مشکل اصلی پایداری پلاسما است: در یک ثانیه زمان زیادی خواهد داشت که منبسط شود، دیواره های محفظه را لمس کرده و خنک شود.

در سال 2006، جامعه بین المللی ساخت یک راکتور نمایشی را آغاز کرد. این راکتور منبع واقعی انرژی نخواهد بود، اما به گونه ای طراحی شده است که پس از آن اگر همه چیز خوب کار کند، می توان ساخت راکتورهای "انرژی" را آغاز کرد. راکتورهای گرما هسته ای که برای گنجاندن در شبکه برق در نظر گرفته شده اند. بزرگ‌ترین پروژه‌های فیزیکی (شتاب‌دهنده‌ها، تلسکوپ‌های رادیویی، ایستگاه‌های فضایی) به قدری گران می‌شوند که در نظر گرفتن دو گزینه حتی برای بشریت که تلاش‌هایش را متحد کرده است، غیرقابل استطاعت است، بنابراین باید انتخاب کرد.

آغاز کار بر روی همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده باید به سال 1950 برگردد، زمانی که I.E. Tamm و A.D. Sakharov به این نتیجه رسیدند که همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده (CTF) می تواند با استفاده از محصورسازی مغناطیسی پلاسمای داغ محقق شود. در مرحله اولیه، کار در کشور ما در موسسه کورچاتوف به رهبری L.A. Artsimovich انجام شد. مشکلات اصلی را می توان به دو گروه تقسیم کرد: مشکلات ناپایداری پلاسما و مشکلات تکنولوژیکی (خلاء خالص، مقاومت در برابر تشعشع و غیره) اولین توکامک ها در سال 1954-1960 ایجاد شدند، اکنون بیش از 100 توکامک در جهان ساخته شده است. در دهه 1960 نشان داده شد که گرمایش با جریان عبوری ("گرمایش اهمی") به تنهایی نمی تواند پلاسما را به دمای همجوشی برساند. طبیعی ترین راه برای افزایش محتوای انرژی پلاسما به نظر می رسید روش تزریق خارجی ذرات خنثی سریع (اتم ها) باشد، اما تنها در دهه 1970 سطح فنی لازم به دست آمد و آزمایش های واقعی با استفاده از انژکتورها انجام شد. امروزه گرم کردن ذرات خنثی با تزریق و تشعشعات الکترومغناطیسی در محدوده مایکروویو امیدوار کننده ترین در نظر گرفته می شود. در سال 1988، مؤسسه کورچاتوف یک توکامک T-15 نسل پیش راکتور با سیم پیچ های ابررسانا ساخت. از سال 1956، زمانی که در طول سفر N.S. خروشچف به بریتانیا، I.V. Kurchatov اجرای این کارها را در اتحاد جماهیر شوروی اعلام کرد. کار در این زمینه به طور مشترک توسط چندین کشور انجام می شود. در سال 1988، اتحاد جماهیر شوروی، ایالات متحده آمریکا، اتحادیه اروپا و ژاپن طراحی اولین راکتور آزمایشی توکاماک را آغاز کردند (این تاسیسات در فرانسه ساخته خواهد شد).

ابعاد راکتور طراحی شده 30 متر قطر و 30 متر ارتفاع است. دوره مورد انتظار ساخت این تاسیسات هشت سال و عمر عملیاتی آن 25 سال است. حجم پلاسما در نصب حدود 850 متر مکعب است. جریان پلاسما 15 مگا آمپر توان حرارتی این تاسیسات 500 مگاوات است و به مدت 400 ثانیه حفظ می شود. در آینده، انتظار می رود این زمان به 3000 ثانیه افزایش یابد، که امکان انجام اولین مطالعات واقعی فیزیک همجوشی حرارتی ("احتراق حرارتی هسته ای") در پلاسما را در راکتور ITER فراهم می کند.

لوکیانوف اس.یو. پلاسمای داغ و همجوشی هسته ای کنترل شده. M.، Nauka، 1975
آرتیموویچ ال. ای.، ساگدیف آر.زی. فیزیک پلاسما برای فیزیکدانان. م.، اتمیزدات، 1358
هگلر ام.، کریستینسن ام. مقدمه ای بر فیوژن کنترل شده. م.، میر، 1359
کیلین جی. همجوشی حرارتی کنترل شده. م.، میر، 1359
بویکو وی.آی. همجوشی گرما هسته ای کنترل شده و مشکلات همجوشی گرما هسته ای اینرسی. مجله آموزشی سوروس. 1999، شماره 6

توکامک(مخفف از "محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی") - وسیله ای برای نگه داشتن دماهای بالا با استفاده از آهنربای قوی. زمینه های. ایده T. در سال 1950 توسط دانشگاهیان I. E. Tamm و A. D. Sakharov بیان شد. اولین آزمایش ها تحقیقات روی این سیستم ها در سال 1956 آغاز شد.

اصل دستگاه از شکل 1 مشخص است. 1. پلاسما در یک محفظه خلاء حلقوی ایجاد می شود که به عنوان تنها چرخش بسته سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور عمل می کند. هنگام عبور جریانی که با گذشت زمان در سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور افزایش می یابد 1 داخل محفظه خلاء 5 یک نیروی الکتریکی طولی گردابی ایجاد می شود. رشته. وقتی گاز اولیه خیلی بزرگ نباشد (معمولا از هیدروژن یا ایزوتوپ های آن استفاده می شود)، نیروی الکتریکی آن رخ می دهد. تجزیه می شود و محفظه خلاء با افزایش بعدی در جریان طولی زیاد با پلاسما پر می شود. IP. در مدرن T. بزرگ جریان در پلاسما چند است. میلیون آمپر این جریان میدان مغناطیسی پلوئیدی خود را (در صفحه سطح مقطع پلاسما) ایجاد می کند. رشته که در q علاوه بر این، یک آهنربای طولی قوی برای تثبیت پلاسما استفاده می شود. رشته B f، با استفاده از ویژه ایجاد شده است سیم پیچ آهنربای حلقوی زمینه های. این ترکیبی از آهنرباهای حلقوی و پولوئیدی است. فیلدها محصور شدن پایدار پلاسمای با دمای بالا را تضمین می کند (نگاه کنید به. سیستم های حلقوی) برای اجرا لازم است همجوشی حرارتی کنترل شده.

برنج. 1. نمودار توکامک: 1 - سیم پیچ اولیه ترانسفرم دهنده؛ 2 - سیم پیچ میدان مغناطیسی حلقوی؛ 3 - آستر، محفظه داخلی با دیواره نازک برای حکاکیکاهش میدان الکتریکی حلقوی؛ 4 - قرقرهمیدان مغناطیسی پولوئیدی ki; 5 - وکیوم کمهra; ب-هسته آهنی (هسته مغناطیسی).

محدودیت های عملیاتی. Magn. میدان T پلاسمای با دمای بالا را به خوبی نگه می‌دارد، اما فقط در محدوده‌های خاصی از تغییر در پارامترهای آن. 2 محدودیت اول برای جریان پلاسما اعمال می شود IPو او را رجوع کنید. تراکم پ، بر حسب واحد تعداد ذرات (الکترون یا یون) در 1 متر مکعب بیان می شود. معلوم می شود که برای یک مقدار معین از آهنربای حلقوی. در میدان، جریان پلاسما نمی تواند از یک مقدار محدود کننده خاص تجاوز کند، در غیر این صورت طناب پلاسما در امتداد یک خط مارپیچ شروع به پیچیدن می کند و در نهایت فرو می ریزد: به اصطلاح. ناپایداری وقفه فعلی برای مشخص کردن جریان محدود کننده، از یک ضریب استفاده می شود. موجودی qتوسط ناپایداری پیچ، تعیین شده توسط رابطه q = 5ب j a 2 /RI p. اینجا آ- کم اهمیت، آر- شعاع بزرگ طناب پلاسما، ب j - ماگ حلقوی. رشته، IP- جریان در پلاسما (ابعاد در متر اندازه گیری می شود، میدان مغناطیسی - در تسلا، جریان - در MA). شرط لازم برای پایداری یک ستون پلاسما، نابرابری است q>]، به اصطلاح. k r i t e r i m K r u-s k a la - شفرانوا. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که حالت نگه‌داری با ثبات قابل اعتماد فقط در مقادیر .

2 محدودیت برای چگالی وجود دارد - پایین و بالا. پایین تر حد چگالی با تشکیل به اصطلاح همراه است. شتاب گرفت یا الکترون های فراری. در چگالی های کم، فرکانس برخورد الکترون ها با یون ها برای جلوگیری از انتقال آنها به حالت شتاب پیوسته در میدان الکتریکی طولی کافی نمی شود. رشته. الکترون‌هایی که به انرژی‌های بالا شتاب می‌گیرند می‌توانند برای عناصر محفظه خلاء خطر ایجاد کنند، بنابراین چگالی پلاسما آنقدر بالا انتخاب می‌شود که هیچ الکترونی شتاب‌دار وجود ندارد. از طرف دیگر، در یک چگالی به اندازه کافی بالا، حالت محصور شدن پلاسما دوباره به دلیل تشعشع و فرآیندهای اتمی در مرز پلاسما ناپایدار می شود، که منجر به باریک شدن کانال فعلی و ایجاد ناپایداری مارپیچ پلاسما می شود. بالا. محدودیت چگالی با پارامترهای بدون بعد My-crayfish مشخص می شود M=nR/B j و هووللا H=nqR/B j (در اینجا میانگین در سراسر مقطع چگالی الکترون است nدر واحدهای 1020 ذره در متر مکعب اندازه گیری می شود). برای محصور شدن پلاسما پایدار لازم است که اعداد مو اچاز بحرانی خاص تجاوز نکرد ارزش های.

هنگامی که پلاسما گرم می شود و فشار آن افزایش می یابد، حد دیگری ظاهر می شود که حداکثر مقدار پایدار فشار پلاسما را مشخص می کند. p = n (T e + T i)، جایی که T e، T i-دماهای الکترونیکی و یونی این حد بر مقدار b برابر با نسبت cf اعمال می شود. فشار پلاسما به فشار مغناطیسی زمینه های؛ یک عبارت ساده شده برای مقدار محدود b توسط رابطه ترویون b داده شده است c =gI p /aB j، کجا gضریب عددی تقریباً 3 است. 10 -2.

عایق حرارتی. امکان گرم شدن پلاسما تا دمای بسیار بالا به این دلیل است که در یک میدان مغناطیسی قوی. میدان مسیر شارژ ذرات شبیه مارپیچ هایی هستند که روی یک خط مغناطیسی پیچیده شده اند. زمینه های. به لطف این، الکترون ها و یون ها برای مدت طولانی در داخل پلاسما باقی می مانند. و فقط به دلیل برخورد و نوسانات کوچک الکتریکی. و ماگ. در میدان ها، انرژی این ذرات را می توان به صورت جریان گرما به دیواره ها منتقل کرد. همین مکانیسم ها میزان شارهای انتشار را تعیین می کنند. بازده مغناطیسی عایق حرارتی پلاسما با انرژی مشخص می شود. طول عمر t E = W/P، جایی که دبلیومحتوای انرژی کل پلاسما، الف پ- قدرت گرمایش پلاسما برای حفظ آن در حالت ثابت لازم است. ارزش t Eهمچنین در صورت قطع ناگهانی برق گرمایشی، می توان به عنوان زمان خنک کننده مشخصه پلاسما در نظر گرفت. در یک پلاسمای آرام، جریان ذرات و گرما به دیواره‌های محفظه به دلیل برخورد زوجی الکترون‌ها و یون‌ها ایجاد می‌شود. این جریان ها از نظر تئوری با در نظر گرفتن مسیرهای بار واقعی محاسبه می شوند. ذرات در هر مگ فیلد T. نظریه مربوط به فرآیندهای انتشار نامیده می شود. نئوکلاسیک (نگاه کنید به فرآیندهای مهاجرتدر پلاسمای واقعی T. همیشه نوسانات کوچک میدان ها و شار ذرات وجود دارد، بنابراین سطوح واقعی گرما و شار ذرات معمولاً به طور قابل توجهی بیشتر از پیش بینی های نئوکلاسیک است. نظریه ها.

آزمایش‌هایی که روی بسیاری از T. decomp انجام شد. شکل ها و اندازه ها، خلاصه کردن نتایج مطالعات مکانیسم های انتقال را در قالب مطالعات تجربی مربوطه ممکن می سازد. وابستگی ها به ویژه، وابستگی های انرژی پیدا شد. طول عمر تی ایاز اصلی پارامترهای پلاسما برای تجزیه حالت نگه دارید این وابستگی ها نامیده می شوند s k e l i n g a m i; آنها با موفقیت برای پیش بینی پارامترهای پلاسما در تاسیسات تازه راه اندازی شده استفاده می شوند.

خود سازماندهی پلاسما. در پلاسما T. همیشه موارد غیرخطی ضعیفی وجود دارد که بر پروفایل های توزیع دما، چگالی ذرات و چگالی جریان در امتداد شعاع تأثیر می گذارد، گویی آنها را کنترل می کنند. به ویژه، به مرکز. مناطقی از طناب پلاسما اغلب به اصطلاح وجود دارند. نوسانات دندان اره ای، منعکس کننده یک روند تکراری دوره ای از تشدید تدریجی و سپس صاف شدن شدید مشخصات دما است. نوسانات شیبدار از انقباض جریان به آهنربا جلوگیری می کند. محور چنبره (نگاه کنید به انقباض تخلیه گاز). علاوه بر این، در T. هر از گاهی حالت های مارپیچی برانگیخته می شوند (به اصطلاح حالت های t i r i n g) که در خارج از بند ناف به صورت امواج مغناطیسی با فرکانس پایین مشاهده می شوند. تردید. حالت های خسته کننده به ایجاد توزیع پایدار تر چگالی جریان در امتداد شعاع کمک می کند. اگر با پلاسما به اندازه کافی دقت نشود، حالت های پاره شدن می توانند آنقدر قوی شوند که اختلالات مغناطیسی ایجاد کنند. میدان ها آهنرباها را از بین می برند. سطوح در سراسر حجم طناب پلاسما، مغناطیسی. پیکربندی از بین می رود، انرژی پلاسما به دیواره ها آزاد می شود و جریان در پلاسما به دلیل خنک شدن قوی آن متوقف می شود (نگاه کنید به. بی ثباتی پارگی).

علاوه بر این نوسانات حجمی، حالت های نوسانی وجود دارد که در مرز ستون پلاسما قرار دارند. این حالت‌ها به وضعیت پلاسما در اطراف بسیار حساس هستند؛ رفتار آنها توسط فرآیندهای اتمی پیچیده می‌شود. خارج و داخلی حالت‌های ارتعاشی می‌توانند به شدت بر فرآیندهای انتقال حرارت و ذرات تأثیر بگذارند؛ آنها به امکان انتقال پلاسما از یک حالت مغناطیسی منجر می‌شوند. عایق حرارتی به دیگری و پشت. اگر در پلاسما T. توزیع سرعت ذرات با . بی ثباتی ها به عنوان مثال، با تولد تعداد زیادی از الکترون های فراری، به اصطلاح ناپایداری فن، که منجر به تبدیل انرژی الکترون طولی به انرژی عرضی می شود. جنبشی. ناپایداری‌ها همچنین در حضور یون‌های پرانرژی ایجاد می‌شوند که در صورت مکمل ایجاد می‌شوند. گرم کردن پلاسما

گرمایش پلاسما. پلاسمای هر T. به طور خودکار به دلیل گرمای ژول از جریان عبوری از آن گرم می شود. آزاد شدن انرژی ژول برای بدست آوردن دمای چند برابر کافی است. میلیون درجه برای اهداف همجوشی گرما هسته ای کنترل شده، دمای بیش از 10 8 K مورد نیاز است، بنابراین تمام T. بزرگ با سیستم های قدرتمند تکمیل می شوند. گرمایش پلاسما. برای این منظور یا از آهنرباهای الکتریکی استفاده می شود. امواج تجزیه شده محدوده، یا ذرات سریع را به داخل پلاسما هدایت می کند. برای گرمایش پلاسما با فرکانس بالا، استفاده از رزونانس هایی که مربوط به داخلی هستند راحت است. نوسان می کند فرآیندهای پلاسما به عنوان مثال، گرم کردن جزء یونی در محدوده هارمونیک فرکانس های سیکلوترون یا پایه راحت است. یون‌های پلاسما یا یون‌های افزودنی انتخاب شده خاص. الکترون ها توسط رزونانس سیکلوترون الکترون گرم می شوند.

هنگام گرم کردن یون ها با ذرات سریع، معمولاً از پرتوهای قدرتمند اتم های خنثی استفاده می شود. چنین پرتوهایی با مغناطیس تعامل ندارند. میدان می شوند و به اعماق پلاسما نفوذ می کنند، جایی که یونیزه می شوند و توسط مغناطیس جذب می شوند. فیلد T.

با کمک روش‌های گرمایش اضافی، می‌توان دمای پلاسما را به > 3·10 8 K افزایش داد که برای یک واکنش گرما هسته‌ای قدرتمند کاملاً کافی است. در راکتورهای T. در آینده که در حال توسعه هستند، گرمایش پلاسما توسط ذرات آلفای پرانرژی ناشی از واکنش همجوشی هسته‌های دوتریوم و تریتیوم انجام خواهد شد.

توکامک ثابت. به طور معمول، جریان در پلاسما تنها در حضور یک جریان الکتریکی گردابی جریان دارد. میدانی که با افزایش میدان مغناطیسی ایجاد می شود. جریان در سلف مکانیسم القایی برای حفظ جریان در زمان محدود است، بنابراین حالت مربوط به محصور شدن پلاسما پالس است. با این حال، حالت پالسی تنها حالت ممکن نیست؛ گرمایش پلاسما نیز می تواند برای حفظ جریان استفاده شود، اگر همراه با انرژی، پالسی متفاوت برای اجزای مختلف پلاسما نیز به پلاسما منتقل شود. نگهداری جریان غیر القایی به دلیل تولید جریان توسط خود پلاسما در طول انبساط انتشار آن به سمت دیوارها (اثر بوت استرپ) تسهیل می شود. اثر بوت استرپ توسط دانشمندان نئوکلاسیک پیش بینی شده بود. نظریه و سپس به صورت تجربی تایید شد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پلاسمای T. را می‌توان ثابت نگه داشت، و Ch. تلاش برای عملی توسعه حالت ثابت با هدف افزایش کارایی تعمیر و نگهداری فعلی است.

دیورتر، کنترل ناخالصی. برای اهداف همجوشی گرما هسته ای کنترل شده، پلاسمای بسیار خالص مبتنی بر ایزوتوپ های هیدروژن مورد نیاز است. برای محدود کردن اختلاط سایر یون‌ها در پلاسما، در اوایل T. پلاسما به اصطلاح محدود شد. l i m i t e r o m (شکل 2، آ)، یعنی دیافراگمی که از تماس پلاسما با سطح بزرگ محفظه جلوگیری می کند. در مدرن از پیکربندی بسیار پیچیده تری استفاده شده است (شکل 2، ب)، توسط سیم پیچ های آهنربایی پولوئیدی ایجاد شده است. زمینه های. این سیم پیچ ها حتی برای پلاسمای با مقطع گرد نیز ضروری هستند: با کمک آنها، جزء مغناطیسی عمودی ایجاد می شود. فیلدها، لبه ها هنگام تعامل با اصلی. جریان پلاسما اجازه نمی دهد سیم پیچ پلاسما در جهت شعاع زیاد روی دیوار پرتاب شود. در پیکربندی دیورتور، چرخش آهنربای پولوئیدی. میدان ها طوری قرار گرفته اند که سطح مقطع پلاسما در جهت عمودی کشیده شود. در همان زمان، بسته مغناطیسی سطوح فقط در داخل حفظ می شوند؛ در خارج، خطوط نیروی آن به داخل محفظه های دیورتور می رود، جایی که جریان های پلاسما که از اصلی جریان می یابد خنثی می شود. جلد. در محفظه های دیورتور به دلیل اضافه شدن امکان نرم شدن بار ناشی از پلاسما روی صفحات دیورتور وجود دارد. خنک شدن پلاسما در طول فعل و انفعالات اتمی

برنج. 2. سطح مقطع پلاسما با مقطع دایره ای ( آ( 6): 1- پلاسما؛ 2- محدود کننده; 3 - دیوار اتاق; 4 - جدایی; 5- محفظه انحرافی; 6 - صفحات دیورتور.

راکتور توکامک. چ. هدف از تحقیق بر روی تاسیسات T. تسلط بر مفهوم مغناطیسی است. محفظه پلاسما برای موجودات راکتور همجوشی. در T. می توان یک پلاسمای پایدار با دمای بالا با دما و چگالی کافی برای یک راکتور گرما هسته ای ایجاد کرد. قوانینی برای عایق حرارتی پلاسما وضع شده است. روش های حفظ جریان و کنترل سطح ناخالصی ها مسلط است. کار روی T. در حال حرکت از مرحله صرفا فیزیکی است. تحقیق در مرحله ایجاد آزمایش .

روشن: Artsimovich L. A., Managed, 2nd ed., M., 1963; Lukyanov S. Yu.، پلاسمای داغ و همجوشی هسته ای کنترل شده، M.، 1975; Kadomtsev B.V.، پلاسمای توکاماک یک سیستم فیزیکی پیچیده، L.، 1992. B. B. Kadomtsev.

توکامک (محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی) یک تاسیسات حلقوی برای محصور کردن پلاسما به صورت مغناطیسی به منظور دستیابی به شرایط لازم برای همجوشی گرما هسته ای کنترل شده است. پلاسما در یک توکامک توسط دیواره های محفظه که فقط تا حد معینی می تواند دمای آن را تحمل کند، بلکه توسط یک میدان مغناطیسی مخصوص ایجاد شده نگه داشته می شود. در مقایسه با سایر تاسیسات که از میدان مغناطیسی برای محدود کردن پلاسما استفاده می‌کنند، یکی از ویژگی‌های توکامک استفاده از جریان الکتریکی است که از پلاسما می‌گذرد تا میدان پولوئیدی لازم برای فشرده‌سازی، گرم کردن و حفظ تعادل پلاسما را ایجاد کند. این، به ویژه، با ستاره ای متفاوت است، که یکی از طرح های حبس جایگزین است که در آن هر دو میدان حلقوی و پلوئیدی با استفاده از سیم پیچ های مغناطیسی ایجاد می شوند. اما از آنجایی که فیلامنت پلاسما نمونه ای از تعادل ناپایدار است، پروژه توکامک هنوز اجرا نشده است و در مرحله آزمایش های بسیار گران قیمت است تا نصب را پیچیده کند.

همچنین لازم به ذکر است که بر خلاف راکتورهای شکافت پذیر (که هر کدام در ابتدا به طور جداگانه در کشورهای خود طراحی و توسعه یافتند)، توکامک در حال حاضر به طور مشترک در چارچوب پروژه علمی بین المللی ITER در حال توسعه است.

میدان مغناطیسی و شار توکامک.

داستان

تمبر پست اتحاد جماهیر شوروی، 1987.

پیشنهاد استفاده از همجوشی گرما هسته ای کنترل شده برای اهداف صنعتی و یک طرح خاص با استفاده از عایق حرارتی پلاسمای با دمای بالا توسط یک میدان الکتریکی برای اولین بار توسط فیزیکدان شوروی O. A. Lavrentiev در کاری در اواسط دهه 1950 فرموله شد. این کار به عنوان یک کاتالیزور برای تحقیقات شوروی در مورد مشکل همجوشی گرما هسته ای کنترل شده عمل کرد. ساخاروف و I.E. Tamm در سال 1951 اصلاح این طرح را پیشنهاد کردند و مبنایی نظری را برای یک راکتور گرما هسته‌ای پیشنهاد کردند که در آن پلاسما شکل چنبره‌ای داشته باشد و توسط میدان مغناطیسی محصور شود.

اصطلاح "توکاماک" بعدها توسط ایگور نیکولاویچ گولووین، شاگرد آکادمیسین کورچاتوف، ابداع شد. در ابتدا به نظر "توکاماگ" بود - مخفف کلمات "محفظه مغناطیسی حلقوی"، اما N.A. Yavlinsky، نویسنده اولین سیستم حلقوی، جایگزینی "-mag" با "-mac" را برای سرخوشی پیشنهاد کرد. بعدها این نام توسط بسیاری از زبان ها به عاریت گرفته شد.

اولین توکامک در سال 1955 ساخته شد و برای مدت طولانی توکاماک فقط در اتحاد جماهیر شوروی وجود داشت. تنها پس از سال 1968، زمانی که در T-3 tokamak، ساخته شده در موسسه انرژی اتمی. I.V. Kurchatov ، تحت رهبری آکادمیک L.A. Artsimovich ، دمای پلاسما به 10 میلیون درجه رسید و دانشمندان انگلیسی با تجهیزات خود این واقعیت را تأیید کردند ، که در ابتدا از باور آن خودداری کردند ، یک رونق واقعی توکاماک در جهان آغاز شد. از سال 1973، برنامه تحقیقاتی فیزیک پلاسما بر روی توکاماک ها توسط بوریس بوریسویچ کادومتسف هدایت شد.

در حال حاضر، یک توکامک امیدوار کننده ترین وسیله برای اجرای همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده در نظر گرفته می شود.

دستگاه

توکامک یک محفظه خلاء حلقوی است که سیم پیچ هایی روی آن پیچیده می شود تا میدان مغناطیسی حلقوی ایجاد شود. هوا ابتدا از محفظه خلاء خارج می شود و سپس با مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم پر می شود. سپس با استفاده از یک سلف، میدان الکتریکی گردابی در محفظه ایجاد می شود. سلف سیم پیچ اولیه یک ترانسفورماتور بزرگ است که در آن محفظه توکامک سیم پیچ ثانویه است. میدان الکتریکی باعث جاری شدن جریان و مشتعل شدن محفظه پلاسما می شود.

جریان عبوری از پلاسما دو کار را انجام می دهد:

پلاسما را به همان روشی که هر هادی دیگری گرم می کند (گرمایش اهمی) گرم می کند.

یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی پلوئیدی نامیده می شود (یعنی در امتداد خطوطی که از قطب های سیستم مختصات کروی می گذرد هدایت می شود).

میدان مغناطیسی جریان عبوری از پلاسما را فشرده می کند. در نتیجه، پیکربندی شکل می‌گیرد که در آن خطوط میدان مغناطیسی مارپیچ طناب پلاسما را "پیچان" می‌کنند. در این حالت، گام در حین چرخش در جهت حلقوی با پله در جهت پلوئیدی منطبق نیست. مشخص شد که خطوط مغناطیسی باز نیستند؛ آنها بی نهایت دور چنبره می چرخند و به اصطلاح "سطوح مغناطیسی" شکل حلقوی را تشکیل می دهند.

وجود یک میدان پولوئیدی برای محصور شدن پلاسمای پایدار در چنین سیستمی ضروری است. از آنجایی که با افزایش جریان در سلف ایجاد می شود و نمی تواند بی نهایت باشد، زمان وجود پایدار پلاسما در یک توکامک کلاسیک محدود است. برای غلبه بر این محدودیت، روش های اضافی برای حفظ جریان توسعه داده شده است. برای این منظور می توان از تزریق اتم های دوتریوم یا تریتیوم خنثی تسریع شده یا تشعشعات مایکروویو به پلاسما استفاده کرد.

علاوه بر سیم پیچ های حلقوی، سیم پیچ های میدان پولوئیدی اضافی نیز برای کنترل طناب پلاسما مورد نیاز است. آنها چرخش های حلقه ای حول محور عمودی اتاقک توکامک هستند.

گرمایش به تنهایی به دلیل جریان جریان برای گرم کردن پلاسما تا دمای لازم برای یک واکنش گرما هسته ای کافی نیست. برای گرمایش اضافی، تابش مایکروویو در فرکانس‌های به اصطلاح تشدید (به عنوان مثال، همزمان با فرکانس سیکلوترون الکترون‌ها یا یون‌ها) یا تزریق اتم‌های خنثی سریع استفاده می‌شود.

توکاماک ها و ویژگی های آنها

در کل حدود 300 توکامک در جهان ساخته شد. بزرگترین آنها در زیر ذکر شده است.

اتحاد جماهیر شوروی و روسیه

T-3 اولین دستگاه کاربردی است.

T-4 - نسخه بزرگ شده T-3

T-7 یک تاسیسات منحصر به فرد است که در آن برای اولین بار در جهان یک سیستم مغناطیسی نسبتا بزرگ با یک سلونوئید ابررسانا بر پایه نیوبات قلع که توسط هلیوم مایع خنک می‌شود، اجرا می‌شود. وظیفه اصلی T-7 تکمیل شد: چشم انداز نسل بعدی سلونوئیدهای ابررسانا برای انرژی گرما هسته ای آماده شد.

T-10 و PLT گام بعدی در تحقیقات گرما هسته ای جهانی هستند، آنها تقریباً یک اندازه، قدرت برابر و با ضریب محصور شدن یکسان هستند. و نتایج به‌دست‌آمده یکسان است: در هر دو راکتور دمای همجوشی گرما هسته‌ای به دست آمد و تاخیر طبق معیار لاوسون 200 برابر بود.

T-15 راکتور امروزی با یک سلونوئید ابررسانا است که میدان القایی 3.6 تسلا دارد.

چین

شرق - واقع در شهر هفی، استان آنهویی. از معیار لاوسون برای سطح احتراق در توکامک فراتر رفت، ضریب انرژی خروجی 1.25 بود.

7 میلیارد تنگه از بودجه کشور در ساخت و ساز و 6 سال توقف اجباری در جستجوی منابع مالی. پروژه توکاماک علم مواد قزاقستان در آستانه بسته شدن بود. با این حال، به لطف جهت‌گیری‌های جدید همکاری‌های بین‌المللی، وضعیت به شدت تغییر کرده است. روزنامه نگار گریگوری بدنکو از کورچاتوف بازدید کرد و گزارشی را به طور خاص برای Infromburo.kz درباره چشم انداز تحقیقات در زمینه همجوشی گرما هسته ای کنترل شده تهیه کرد.

کمی تاریخ

در اواسط قرن بیستم، توسعه یافته ترین کشورهای جهان خیلی سریع بر انرژی اتمی تسلط یافتند و یاد گرفتند که از آن هم در برنامه های تسلیحات نظامی و هم برای تولید حجم زیادی از انرژی حرارتی و الکتریکی برای اهداف صلح آمیز استفاده کنند. با این حال، فرآیند فروپاشی کنترل شده هسته اتم برای محیط زیست بسیار ناامن بود. حوادث در نیروگاه های هسته ای و مشکل عظیم دفع زباله های سطح بالا، این نوع انرژی را از چشم انداز خود محروم کرده است. سپس، در اواسط قرن، دانشمندان این فرضیه را مطرح کردند که همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده می تواند یک جایگزین باشد. کارشناسان پیشنهاد کردند که در شرایط زمینی، فرآیندهایی که در اعماق ستارگان اتفاق می‌افتند، تکرار شوند و نه تنها کنترل آن‌ها را یاد بگیریم، بلکه به‌دست آوردن انرژی در مقادیر لازم برای وجود تمدن نیز بیاموزیم. همانطور که مشخص است، همجوشی گرما هسته ای بر اساس اصل همجوشی هسته های هیدروژن سبک به هسته های سنگین تر با تشکیل هلیوم است. در این حالت، انرژی بسیار بیشتری نسبت به فرآیند معکوس آزاد می شود، زمانی که هسته های عناصر سنگین به هسته های سبک تر با آزاد شدن انرژی بسیار زیاد و تشکیل ایزوتوپ های عناصر مختلف جدول تناوبی تقسیم می شوند. هیچ اثر مضر یا ضایعات تولیدی خطرناک در راکتورهای حرارتی وجود ندارد.

نمودار رآکتور حرارتی آزمایشی بین المللی ITER

عجیب است که فرآیند همجوشی گرما هسته ای به راحتی برای برنامه های تسلیحاتی بازسازی شد، اما توسعه پروژه های انرژی صلح آمیز کار تقریبا غیرممکنی بود. نکته اصلی برای یک بمب هیدروژنی در واقع شروع فرآیند همجوشی است که در نانوثانیه اتفاق می افتد. اما یک راکتور حرارتی نیروگاهی به شرایط خاصی نیاز دارد. برای به دست آوردن انرژی، لازم است پلاسما با دمای بالا در یک حالت کنترل شده برای مدت زمان مشخصی نگهداری شود - از 10 تا 30 میلیون درجه سانتیگراد گرم می شود. با محدود کردن چنین پلاسمایی، شرایط فیزیکی برای ادغام هسته‌های دوتریوم سبک و تریتیوم به هسته‌های سنگین ایجاد می‌شود. علاوه بر این، انرژی بیشتری نسبت به صرف گرمایش و محدود کردن پلاسما باید آزاد شود. اعتقاد بر این است که یک پالس منفرد با همجوشی حرارتی کنترل شده با ضریب انتشار انرژی مثبت باید حداقل 500 ثانیه طول بکشد. اما برای چنین زمانی و در چنین دماهایی، حتی یک ماده ساختاری از یک راکتور امیدوار کننده آن را تحمل نمی کند. به سادگی تبخیر خواهد شد. و دانشمندان در سراسر جهان بیش از نیم قرن است که با مشکل علم مواد دست و پنجه نرم می کنند تقریباً بی فایده است.

پلاسمای بدست آمده در علم مواد قزاقستان tokamak / مواد ارائه شده توسط موسسه انرژی اتمی مرکز ملی هسته ای جمهوری قزاقستان

مواد ارائه شده توسط موسسه انرژی اتمی NNC RK

این ویدیوی بسیار آهسته تشکیل پلاسما را در یک توکاماک قزاقستانی نشان می دهد (مواد ارائه شده توسط موسسه انرژی اتمی مرکز ملی هسته ای جمهوری قزاقستان)

تشکیل پلاسما در CFT

توکامک و استلاراتور چیست؟

مخفف روسی است، زیرا اولین نصب در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد. توکامک یک محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی است. چنبره یک شکل هندسی سه بعدی است (به عبارت ساده مانند دونات) و چنبره سیم نازکی است که دور یک قاب چنبره شکل پیچیده شده است. بنابراین، پلاسمای با دمای بالا در نصب به شکل چنبره تشکیل شده و حفظ می شود. در این مورد، اصل اصلی توکامک این است که پلاسما با دیواره‌های محفظه برهم‌کنش نمی‌کند، بلکه در فضا آویزان می‌شود، همانطور که می‌گفتند، توسط یک میدان مغناطیسی فوق‌العاده قدرتمند نگه داشته می‌شود. طرح عایق حرارتی پلاسما و روش استفاده از چنین تاسیساتی برای مقاصد صنعتی برای اولین بار توسط فیزیکدان شوروی اولگ الکساندروویچ لاورنتیف پیشنهاد شد. اولین توکامک در سال 1954 ساخته شد و برای مدت طولانی فقط در اتحاد جماهیر شوروی وجود داشت. تا به امروز حدود دویست دستگاه مشابه در دنیا ساخته شده است. در حال حاضر، اتاق‌های حلقوی برای مطالعه همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده در روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن، چین و اتحادیه اروپا وجود دارد. بزرگترین پروژه بین المللی در این زمینه ITER است (در ادامه در مورد آن بیشتر خواهد شد). مبتکر ساخت یک توکامک علم مواد در قزاقستان، رئیس موسسه کورچاتوف روسیه، آکادمیک اوگنی پاولوویچ ولیخوف بود. از سال 1975، او سرپرستی برنامه راکتور همجوشی کنترل شده شوروی را بر عهده داشت. ایده ساخت تاسیسات در سایت آزمایش هسته ای سابق سمی پالاتینسک در سال 1998، زمانی که ولیخوف با نورسلطان نظربایف، رئیس جمهور جمهوری قزاقستان ملاقات کرد، ظاهر شد.

طرح محصور شدن پلاسما در یک ستاره ساز / مواد ارائه شده توسط موسسه انرژی اتمی NNC RK

ستاره‌ساز یک نوع راکتور جایگزین برای توکامک برای انجام همجوشی حرارتی هسته‌ای کنترل‌شده است. توسط اخترفیزیکدان آمریکایی لیمن اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این نام از کلمه لاتین stella (ستاره) گرفته شده است که نشان دهنده شباهت فرآیندهای درون ستارگان و در یک تاسیسات ساخته دست بشر است. تفاوت اصلی این است که میدان مغناطیسی برای جداسازی پلاسما از دیواره های داخلی محفظه به طور کامل توسط سیم پیچ های خارجی ایجاد می شود که امکان استفاده از آن را در حالت پیوسته فراهم می کند. پلاسما در ستاره ساز به شکل "دونات مچاله شده" شکل می گیرد و همانطور که بود می پیچد. امروزه ستاره داران تحقیقاتی در روسیه، اوکراین، آلمان و ژاپن وجود دارد. علاوه بر این، بزرگترین ستاره ستاره جهان، Wendelstein 7-X (W7-X) اخیراً در آلمان راه اندازی شد.

علم مواد قزاقستانی توکاماک / گریگوری بدنکو

اینها همه امکانات تحقیقاتی هستند.» رئیس گروه علمی پروژه KTM می گوید. Stellarator در پیکربندی میدان مغناطیسی خود متفاوت است. در توکامک از سیم پیچی به اصطلاح حلقوی و سیم پیچ بیرونی پولوئیدی برای نگهداری پلاسما استفاده می شود. اما در یک ستاره ساز برعکس است - یک زخم پیچ در پیچ در یک مارپیچ وجود دارد که عملکردهای حلقوی و پولوئیدی را انجام می دهد. توکامک در ابتدا یک نصب پالسی است و ستاره ساز یک نصب ثابت تر است، یعنی مزیت سیم پیچ پیچ خورده به شما امکان می دهد پلاسما را به طور نامحدود نگه دارید. استلاراتورها همزمان با توکامک ها توسعه یافتند و زمانی توکامک ها در پارامترهای پلاسما حرف اول را زدند. "صوفیه" توکامک ها در سراسر جهان آغاز شده است. اما با این وجود، ستاره سازها در حال توسعه هستند. آنها در ژاپن موجود هستند؛ آنها اخیراً در آلمان ساخته شده اند - Wendelstein 7-X (W7-X) مورد بهره برداری قرار گرفت. ستاره ای در ایالات متحده آمریکا وجود دارد. علاوه بر این، تعداد زیادی از انواع تاسیسات تحقیقاتی با محصورسازی پلاسمای تا حدی مغناطیسی وجود دارد - اینها تله های مختلفی هستند. زمانی که یک هدف کوچک توسط تابش لیزر گرم می شود، همجوشی گرما هسته ای اینرسی وجود دارد. این یک انفجار حرارتی کوچک است.

واحدها و مجموعه های قسمت بالایی نصب / گریگوری بدنکو

و با این حال، توکامک به عنوان امیدوارکننده ترین راکتور حرارتی هسته ای صنعتی امروز در نظر گرفته می شود.

ساختمان تکنولوژیکی که KTM در آن قرار دارد / گریگوری بدنکو

توکاماک در قزاقستان

تاسیسات قزاقستان تا سال 2010 در یک سایت مشخص شده در منطقه اداری سایت آزمایشی Semipalatinsk سابق - شهر Kurchatov ساخته شد. این مجموعه از چندین ساختمان تکنولوژیکی تشکیل شده است که اجزا و مجموعه های توکامک و همچنین کارگاه ها، اتاق های پردازش داده ها، اسکان پرسنل و غیره را در خود جای داده است. این پروژه در روسیه بر اساس مرکز ملی تحقیقات حرارتی هسته ای (موسسه کورچاتوف) توسعه یافته است. محفظه خلاء، سیم پیچ های مغناطیسی و ... در پژوهشکده تجهیزات الکتروفیزیکی به نام طراحی و مونتاژ شد. D.V. Evremov (موسسه تحقیقاتی EFA)، اتوماسیون - در موسسه پلی تکنیک تومسک. شرکت کنندگان در این پروژه از طرف روسیه همچنین شامل مؤسسه تمام روسیه جریانات (NII TVCH)، TRINITI (موسسه تحقیقات نوآورانه و گرما هسته ای ترویتسک) بودند. طراح کلی از قزاقستان Promenergoproekt LLP بود و مجموعه UPC Kazelektromontazh مستقیماً نصب شد. پس از اتمام کار، CTM راه اندازی شد و اولین پلاسما را تولید کرد. سپس تأمین مالی این پروژه متوقف شد و توکامک به مدت شش سال به یک جاذبه توریستی گران قیمت با فناوری پیشرفته تبدیل شد.

نصب تجهیزات مقاوم سازی برای KTM / Grigory Bedenko

زندگی دوم KTM

این پروژه در آستانه EXPO 2017 در آستانه راه اندازی مجدد شد. کاملاً با مفهوم نمایشگاه جهانی که به انرژی آینده اختصاص داده شده است. در 9 ژوئن، نصب مجدد با حضور تعداد زیادی از خبرنگاران آغاز شد. توسعه دهندگان روسی در این راه اندازی حضور داشتند. همانطور که در این مراسم بیان شد، هدف از مرحله اول راه اندازی فیزیکی، اشکال زدایی و تست سیستم های استاندارد KTM است. همچنین، به گفته رئیس مرکز ملی هسته ای جمهوری قزاقستان، ارلان باتیربیکوف، بر اساس توکامک قزاقستان، دانشمندان کشورهای مختلف قادر خواهند بود طیف گسترده ای از تحقیقات از جمله نوسازی راکتورهای صنعتی موجود را انجام دهند.

مبدل AC برای KTM ظاهری آینده نگرانه دارد / گریگوری بدنکو

سپس وضعیت در جهت مطلوب تری پیش رفت. در آستانه، طی کنفرانس وزیران و هشتمین مجمع بین المللی انرژی، قزاقستان دعوتنامه رسمی برای عضویت در سازمان بین المللی ITER دریافت کرد. راکتور آزمایشی بین‌المللی هسته‌ای توسط گروهی از کشورها ایجاد می‌شود تا امکان استفاده تجاری از انرژی گرما هسته‌ای و همچنین حل مشکلات فیزیکی و فناوری در این زمینه را نشان دهد. در اصل، ITER یک توکامک عظیم و بسیار پیچیده است. کشورهای اتحادیه اروپا، هند، چین، کره جنوبی، روسیه، آمریکا، ژاپن و هم اکنون کشور ما در این پروژه مشارکت دارند. از قزاقستان، تحقیقات در مورد این موضوع توسط متخصصان مرکز ملی هسته ای، موسسه تحقیقاتی فیزیک تجربی و نظری دانشگاه ملی قزاقستان انجام خواهد شد. فارابی، موسسه فیزیک هسته ای، کارخانه متالورژی اولبا، KazNIPIEnergoprom و Kazelektromash. ITER در فرانسه در 60 کیلومتری مارسی ایجاد خواهد شد. در حال حاضر هزینه این پروژه 19 میلیارد یورو برآورد شده است. راه اندازی نصب برای سال 2025 برنامه ریزی شده است.

باورژان چکتیبایف / گریگوری بدنکو

باورژان چکتیبایف، رئیس گروه علمی پروژه سی تیم

در 10 ژوئن، تفاهم نامه ای در مورد تحقیقات مشترک بین ITER و KTM منعقد شد. در چارچوب این توافق، پروژه ای برای تعامل با سازمان بین المللی ITER در حال آماده سازی است. آنها به نصب ما علاقه مند هستند. خود پروژه ITER نیز ساده نیست، مشکل مواد وجود دارد. به عنوان بخشی از پروژه، ما تنگستن و بریلیم را مطالعه خواهیم کرد. اجزا و قطعات خاصی از ITER از این ماده ساخته خواهد شد. ما آنها را اجرا خواهیم کرد. تمام دیوار اول راکتور ITER با کاشی های تنگستن و بریلیوم پوشانده خواهد شد. محفظه خلاء خود از یک دیورتر تشکیل شده است که پلاسما در آن جریان دارد؛ شدیدترین مکان وجود دارد - 20 مگاوات در هر متر مربع. تنگستن وجود خواهد داشت. بقیه دیوار اول با بریلیوم اندود می شود.

KTM از نقطه نظر فناوری یک سیستم بسیار پیچیده است / گریگوری بدنکو

- چرا درITERخیلی به توکامک ما علاقه مند هستید؟

علاوه بر علم مواد، وظیفه نصب ما مطالعه فیزیک پلاسما است. CTM از نظر نسبت تصویر منحصر به فرد است. چنین پارامتری وجود دارد، یکی از اصلی ترین پارامترها برای توکامک ها - نسبت شعاع بزرگ از محور به مرکز پلاسما به کوچک، یعنی از محور پلاسما به لبه های آن. برای ما این پارامتر برابر با دو است. در همان ITER - 3.1. تمام توکامک هایی که بیش از 3 عدد هستند کلاسیک هستند. یک جهت مدرن از توکامک ها وجود دارد - اینها توکامک های کروی هستند که در آنها نسبت ابعاد کمتر از 2 است - یک و نیم و حتی کمتر - اینها اتاق های خنک و تقریباً کروی هستند. توکامک ما، همانطور که بود، در یک موقعیت مرزی، بین توکامک های کلاسیک و کروی قرار دارد. هنوز چنین نصبی وجود نداشته است و در اینجا، فکر می کنم، تحقیقات جالبی در مورد رفتار پلاسما انجام خواهد شد. چنین تاسیساتی به عنوان راکتورهای هیبریدی آینده یا منابع نوترونی حجمی در نظر گرفته می شوند.

قسمت پایینی محفظه خلاء KTM / عکس از گریگوری بدنکو

- همکاری با چقدر امیدوار کننده استITER؟آیا پروژه را نجات می دهد؟

در سال 2010 یک پرتاب آزمایشی با استفاده از تجهیزات و آمادگی موجود در آن زمان انجام شد. وظیفه نشان دادن این بود که نصب "نفس می کشد" و قادر به کار است. در همان سال دهم بودجه ما تمام شد. سپس شش سال عدم فعالیت بود. تمام این مدت برای بودجه جنگیدیم. قبلاً در سال 2006 تصویب شده بود و باید به طور کامل بازنگری می شد. حدود 80 درصد تجهیزات ما خارجی است و در چارچوب رویدادهای شناخته شده در سیستم مالی جهانی، این تسهیلات به طور قابل توجهی گرانتر از برنامه اولیه شده است. در سال 2016، پس از تعدیل بودجه پروژه، بودجه اضافی تخصیص یافت. این نصب تاکنون 7 میلیارد تنگه برای بودجه قزاقستان هزینه داشته است. این شامل کار ساخت و ساز و نصب، ساخت محفظه خلاء و سیستم الکترومغناطیسی است.

محققان باید جک های همه مشاغل باشند / گریگوری بدنکو

- چی شده؟ یک دوره آزمایشی در ژوئن برگزار شد.

اکنون ایجاد KTM در مرحله نهایی خود است. در حال حاضر نصب و راه اندازی سیستم های اصلی و کمکی در حال انجام است. با پیمانکار عمومی برنده مناقصه قرارداد بسته ایم. دو شرکت وجود دارد، یکی در کار ساخت و ساز و نصب مشغول است، دوم - کار راه اندازی. "KazIntelgroup" در کار ساخت و ساز و نصب مشغول است، "Quality Garantor XXI Century" در راه اندازی مشغول است. ساخت تاسیسات قرار است در سال جاری به پایان برسد. سپس قبل از پایان سال، پرتاب فیزیکی انجام خواهد شد. در سال 2018، نصب به بهره برداری می رسد و آزمایشات در مقیاس کامل آغاز می شود. در عرض 3 سال، ما قصد داریم به پارامترهای طراحی اسمی که در نصب گنجانده شده است برسیم و سپس در مورد مواد تحقیق بیشتری کنیم.

در بعضی جاها KTM شبیه یک کشتی بیگانه است / عکس از گریگوری بدنکو

- با انتخاب کارمندان چطور کار می کنید؟

اکثر متخصصان جوان فارغ التحصیل دانشگاه های قزاقستان، از Ust-Kamenogorsk، Pavlodar و Semey هستند. برخی از دانشگاه های روسیه، به عنوان مثال، دانشگاه پلی تکنیک تومسک فارغ التحصیل شدند. بحث پرسنل حاد است. طبق پروژه باید حدود 120 نفر باشند، 40 نفر کار کنند، سال آینده که مجتمع به بهره برداری برسد، جذب نیرو انجام می شود. اما یافتن متخصص در این زمینه کاری جدا و دشوار است.

دیمیتری اولخویک، رئیس بخش سیستم های اتوماسیون آزمایشی KTM

ویژگی CFT این است که دارای یک دستگاه چرخشی-دیورتر است، یعنی تمام مواد مورد مطالعه را می توان در داخل محفظه چرخاند. علاوه بر این، یک دستگاه دروازه حمل و نقل نیز وجود دارد. این امکان شارژ مجدد مواد مورد مطالعه را بدون کاهش فشار محفظه خلاء فراهم می کند. در سایر تاسیسات مشکلات خاصی وجود دارد: اگر محفظه کم فشار شده باشد، حداقل یک یا دو هفته لازم است تا دوباره برای پرتاب های جدید آماده شود. ما می‌توانیم به راحتی نمونه‌های آزمایشی را در یک کمپین جایگزین کنیم، بدون اتلاف وقت برای کاهش فشار. این مزیت اقتصادی نصب است.

برخی از انواع تجهیزات جدید هنوز در بسته بندی اصلی هستند / گریگوری بدنکو

- آزمایشات چگونه انجام خواهد شد؟

در چنین تاسیساتی، دو کمپین آزمایشی در سال انجام می شود. به عنوان مثال، ما یک کمپین را در بهار انجام می دهیم، سپس در تابستان داده های به دست آمده را تجزیه و تحلیل می کنیم و آزمایش های بعدی را برنامه ریزی می کنیم. کمپین دوم در پاییز برگزار می شود. کمپین خود از دو تا سه ماه طول می کشد. دو مشکل اصلی در راه ایجاد یک راکتور همجوشی نیرو وجود دارد. اول توسعه فناوری تولید و نگهداری پلاسما است، دوم توسعه موادی است که مستقیماً پلاسما را مورد بررسی قرار می دهند، زیرا پلاسما دمای بالایی دارد. جریان های عظیم انرژی پرواز می کنند و بر مواد تأثیر می گذارند. مواد نیز به نوبه خود از بین می روند و پراکنده می شوند. و ورود این ذرات به پلاسما تاثیر فوق العاده منفی دارد. پلاسما به ناخالصی ها بسیار حساس است. پلاسما را خنک می کنند و در نهایت آن را خاموش می کنند. همچنین موضوع اثرات نوترون بر مواد ساختاری وجود دارد. توکامک ما مواد را برای تعیین مقاومت حرارتی آنها آزمایش می کند. این بدان معنی است که آنها غیر قابل پاشیدن هستند و با پلاسما سازگار هستند. تنگستن و بریلیم به عنوان مواد مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. ما آنها را آزمایش خواهیم کرد، خواهیم دید که چگونه آنها تحت شرایط جریان پلاسما بالا رفتار می کنند، مانند ITER.

جریان های قدرت عظیم در KTM / Grigory Bedenko استفاده می شود

- چه کارهایی برای مقاوم سازی KTM در حال انجام است؟

نصب و راه اندازی سیستم های فن آوری برای سیستم های خلاء، سیستم های خنک کننده. این یک نصب الکتریکی بسیار پیچیده است. برای بدست آوردن میدان مغناطیسی، باید انرژی زیادی از شبکه بگیرید. یک مجتمع معین برای تبدیل انرژی وجود دارد. با شروع از سیستم منبع تغذیه پالسی ، تعداد زیادی از ترانسفورماتورهای حامل استفاده می شود و از یک مجتمع مبدل تریستور استفاده می شود ، یعنی یک سیستم نسبتاً پیچیده از نظر عملکرد ، کنترل و سیستم بسیار توزیع شده است. یعنی همه این کارها اکنون در حال انجام است، منابع تغذیه در حال تنظیم هستند.

کار بسیار پر زحمت است / گریگوری بدنکو

کار با تجهیزات جدید KTM

چنین تاسیساتی برای کار کردن نیاز به مقدار بسیار زیادی برق دارند. آیا KTM مصرف زیادی خواهد داشت؟

هنگام کار در حالت اسمی، مصرف برق از شبکه حدود 80-100 مگاوات خواهد بود. برای یک آزمایش همچنین یک سیستم گرمایش اضافی استاندارد وجود دارد که انرژی را نیز از شبکه پمپ می کند.

سیستم منبع تغذیه سیم پیچ مغناطیسی / گریگوری بدنکو

مشخص است که در قزاقستان بخش قابل توجهی از جمعیت به رادیوفوبیا مبتلا هستند. اینها پیامدهای روانی-اجتماعی آزمایش های هسته ای است. تحقیقات شما چقدر امن خواهد بود؟

اعتقاد بر این است که همجوشی گرما هسته ای کنترل شده یک منبع انرژی جایگزین سازگار با محیط زیست است. حوادثی مانند چرنوبیل، فوکوشیما و غیره به سادگی نمی توانند در اینجا اتفاق بیفتند. جدی ترین اتفاقی که می تواند بیفتد کاهش فشار محفظه خلاء است که پلاسما در آن قرار دارد. در این حالت پلاسما خاموش می شود و این چند گرم سوخت گرما هسته ای که در محفظه بود به بیرون نشت می کند.

قسمت بالایی نصب / گریگوری بدنکو

و چند واقعیت جالب دیگر در مورد ITER، بزرگترین پروژه بین المللی در تاریخ چنین تحقیقاتی، که کارشناسان ما امید زیادی به آن دارند. همانطور که در بالا ذکر شد، ITER یک سازمان بین المللی است که شامل بیش از دوازده کشور است: روسیه، فرانسه، ژاپن، چین، هند، اتحادیه اروپا، کانادا و ایالات متحده آمریکا. جالب اینجاست که سهم هر کشور در این پروژه در قالب محصولات نهایی انجام می شود. به عنوان مثال، روسیه برخی از سیم پیچ های برودتی را بر اساس ابررساناها، تجهیزات قدرت و غیره تولید می کند.

کار بر روی راه اندازی سیستم منبع تغذیه در KTM / Grigory Bedenko

ITER هنوز یک تاسیسات انرژی نیست، انرژی را تامین نخواهد کرد. این یک نمایش فناوری از امکان سنجی تولید پلاسما با خروجی انرژی است. پس از ITER، زمانی که فناوری‌ها توسعه می‌یابند، یک راکتور نمایشی ایجاد می‌شود که از قبل انرژی را تامین می‌کند. این در جایی در دهه 40-50 قرن بیست و یکم اتفاق خواهد افتاد. یعنی 100 سال پس از شروع تحقیقات در این موضوع.

اتاق کنترل KTM / گریگوری بدنکو

پروژه ITER حدود 500 ثانیه کار مداوم دارد. راکتور پالس در اصل تا 1000 ثانیه ارائه می شود. - چطور پیش خواهد رفت؟ هنگامی که همه فناوری‌ها انتخاب شدند، مواد و طراحی مورد تایید قرار گرفتند، DEMO بعدی ایجاد خواهد شد. پیش از این تصمیم گرفته شده است که این راکتور در ژاپن ساخته شود.

واحدهای KTM / گریگوری بدنکو

ظاهراً اصل کار یک راکتور حرارتی هسته ای قدرت به شرح زیر خواهد بود. اولین عنصر که انرژی حرارتی پلاسما را جذب می کند، دارای کانال هایی برای تبادل حرارت در داخل خود است. سپس همه چیز مانند یک نیروگاه معمولی است - گرم کردن خنک کننده مدار ثانویه، چرخاندن توربین ها و تولید انرژی الکتریکی.

نمای کلی سالن راکتور KTM / گریگوری بدنکو

راه اندازی فیزیکی ITER در سال 2025 انجام می شود. در سال 2028 به بهره برداری می رسد. بر اساس نتایج کار، گزینه ایجاد راکتورهای هیبریدی در حال بررسی است - جایی که نوترون های حاصل از همجوشی گرما هسته ای برای تقسیم سوخت هسته ای استفاده می شود.

به منظور دستیابی به شرایط لازم برای وقوع. پلاسما در یک توکامک توسط دیواره های محفظه که قادر به مقاومت در برابر دمای لازم برای واکنش های گرما هسته ای نیستند، نگه داشته می شود، بلکه توسط یک میدان مغناطیسی ترکیبی مخصوص ایجاد شده - یک میدان خارجی حلقوی و پولوئیدی جریانی که از طریق پلاسما می گذرد. طناب. در مقایسه با سایر تاسیسات که از میدان مغناطیسی برای محدود کردن پلاسما استفاده می کنند، استفاده از جریان الکتریکی ویژگی اصلی توکامک است. جریان در پلاسما گرم شدن پلاسما و حفظ تعادل رشته پلاسما در محفظه خلاء را تضمین می کند. به این ترتیب، یک توکامک، به ویژه، با یک ستاره ساز، که یکی از طرح های محصورسازی جایگزین است که در آن هم میدان های حلقوی و هم میدان های پلوئیدی با استفاده از سیم پیچ های مغناطیسی خارجی ایجاد می شوند، متفاوت است.

راکتور توکاماک در حال حاضر به عنوان بخشی از پروژه علمی بین المللی ITER در حال توسعه است.

داستان

در حال حاضر، توکامک امیدوار کننده ترین وسیله برای اجرای همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده در نظر گرفته می شود.

دستگاه

توکامک یک محفظه خلاء حلقوی است که سیم پیچ هایی روی آن پیچیده می شود تا میدان مغناطیسی حلقوی ایجاد شود. هوا ابتدا از محفظه خلاء خارج می شود و سپس با مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم پر می شود. سپس با استفاده از القاگریک میدان الکتریکی گردابی در محفظه ایجاد می شود. سلف سیم پیچ اولیه یک ترانسفورماتور بزرگ است که در آن محفظه توکامک سیم پیچ ثانویه است. میدان الکتریکی باعث جاری شدن جریان و احتراق در محفظه پلاسما می شود.

جریان عبوری از پلاسما دو کار را انجام می دهد:

پلاسما را به همان روشی که هر هادی دیگری گرم می کند (گرمایش اهمی) گرم می کند.
یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی نامیده می شود پولوئیدی(یعنی در امتداد خطوط عبوری هدایت می شود قطب هاسیستم مختصات کروی).

وجود یک میدان پولوئیدی برای محصور شدن پلاسمای پایدار در چنین سیستمی ضروری است. از آنجایی که با افزایش جریان در سلف ایجاد می شود و نمی تواند بی نهایت باشد، زمان وجود پایدار پلاسما در یک توکامک کلاسیک هنوز به چند ثانیه محدود می شود. برای غلبه بر این محدودیت، روش های اضافی برای حفظ جریان توسعه داده شده است. برای این منظور می توان از تزریق اتم های خنثی تسریع شده دوتریوم یا تریتیوم یا تشعشعات مایکروویو به پلاسما استفاده کرد.

علاوه بر سیم پیچ های حلقوی، سیم پیچ های اضافی برای کنترل طناب پلاسما مورد نیاز است. سیم پیچ های میدان پولوئیدی. آنها چرخش های حلقه ای حول محور عمودی اتاقک توکامک هستند.

توکاماک ها و ویژگی های آنها

در کل حدود 300 توکامک در جهان ساخته شد. بزرگترین آنها در زیر ذکر شده است.

اتحاد جماهیر شوروی و روسیه

قزاقستان

Tokamak تحقیقات مواد قزاقستان (KTM) یک تاسیسات آزمایشی حرارتی هسته‌ای برای تحقیق و آزمایش مواد در رژیم‌های بار انرژی نزدیک به