Što je tokamak? Termonuklearni reaktor otvorit će novu eru za čovječanstvo. Tehnokratski pokret Tokamak instalacija

uređaj za izvođenje reakcije termonuklearne fuzije u vrućoj plazmi u kvazistacionarnom načinu rada, pri čemu se plazma stvara u toroidalnoj komori i stabilizira magnetskim poljem. Svrha instalacije je pretvaranje intranuklearne energije u toplinu, a zatim u električnu energiju. Sama riječ "tokamak" je skraćenica za naziv "toroidna magnetska komora", ali kreatori instalacije su "g" na kraju zamijenili sa "k" kako ne bi izazivali asocijacije na nešto magično.

Čovjek dobiva atomsku energiju (i u reaktoru i u bombi) dijeljenjem jezgri teških elemenata na lakše. Energija po nukleonu je maksimalna za željezo (tzv. “željezni maksimum”), a od maksimum u sredini, tada će se energija oslobađati ne samo tijekom raspada teških elemenata, već i tijekom kombinacije lakih elemenata. Taj se proces naziva termonuklearna fuzija i odvija se u hidrogenskoj bombi i fuzionom reaktoru. Postoje mnoge poznate termonuklearne reakcije i reakcije fuzije. Izvor energije može biti onaj za koji postoji jeftino gorivo, a moguća su i dva bitno različita načina pokretanja fuzijske reakcije.

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

Drugi način. Polazne tvari mogu se zagrijavati relativno sporo - pretvorit će se u plazmu, a potom se u nju može unijeti energija na bilo koji način, sve dok se ne steknu uvjeti za početak reakcije. Da bi došlo do termonuklearne reakcije u smjesi deuterija i tricija i da bi se dobio pozitivan izlaz energije (kada je energija oslobođena kao rezultat termonuklearne reakcije veća od energije utrošene na tu reakciju), potrebno je stvoriti plazmu gustoće od najmanje 10 14 čestica/cm 3 (10 5 atm.), te ga zagrijati na približno 10 9 stupnjeva, pri čemu plazma postaje potpuno ionizirana.

Takvo zagrijavanje je neophodno kako bi se jezgre mogle približiti jedna drugoj, unatoč Coulombovom odbijanju. Može se pokazati da se za dobivanje energije ovo stanje mora održavati barem jednu sekundu (tzv. “Lawsonov kriterij”). Preciznija formulacija Lawsonovog kriterija: umnožak koncentracije i vremena održavanja tog stanja trebao bi biti reda veličine 10 15 cm cm 3. Glavni problem je stabilnost plazme: u sekundi će imati vremena da se mnogo puta proširi, dotakne zidove komore i ohladi.

Godine 2006. međunarodna zajednica započela je s izgradnjom demonstracijskog reaktora. Ovaj reaktor neće biti pravi izvor energije, ali je projektiran tako da se nakon njega, ako sve bude u redu, može početi s izgradnjom “energetskih” tj. termonuklearni reaktori namijenjeni uključivanju u elektroenergetsku mrežu. Najveći fizički projekti (akceleratori, radioteleskopi, svemirske stanice) postaju toliko skupi da se razmatranje dviju opcija pokazuje nedostižnim čak i za čovječanstvo koje je ujedinilo svoje napore pa se mora odlučiti.

Početak rada na kontroliranoj termonuklearnoj fuziji treba datirati u 1950. godinu, kada su I.E. Tamm i A.D. Sakharov došli do zaključka da se kontrolirana termonuklearna fuzija (CTF) može realizirati korištenjem magnetskog ograničenja vruće plazme. U početnoj fazi rad u našoj zemlji odvijao se na Institutu Kurchatov pod vodstvom L.A. Artsimovicha. Glavni problemi mogu se podijeliti u dvije skupine: problemi nestabilnosti plazme i tehnološki problemi (čisti vakuum, otpornost na zračenje, itd.) Prvi tokamaci stvoreni su 1954.-1960., sada je u svijetu izgrađeno više od 100 tokamaka. U 1960-ima je pokazano da samo zagrijavanje propuštanjem struje ("omsko zagrijavanje") ne može dovesti plazmu do temperatura fuzije. Činilo se da je najprirodniji način povećanja energetskog sadržaja plazme metoda vanjskog ubrizgavanja brzih neutralnih čestica (atoma), no tek je 70-ih godina prošlog stoljeća postignuta potrebna tehnička razina i izvedeni su pravi pokusi pomoću injektora. Danas se zagrijavanje neutralnih čestica injekcijom i elektromagnetskim zračenjem u mikrovalnom području smatra najperspektivnijim. Godine 1988. Institut Kurchatov izgradio je predreaktorsku generaciju tokamaka T-15 sa supravodljivim namotima. Od 1956., kada je tijekom posjeta N. S. Hruščova Velikoj Britaniji I. V. Kurchatov najavio provedbu ovih radova u SSSR-u. Rad na ovom području zajednički provodi nekoliko zemalja. Godine 1988. SSSR, SAD, Europska unija i Japan počeli su projektirati prvi eksperimentalni tokamak reaktor (postrojenje će se graditi u Francuskoj).

Dimenzije projektiranog reaktora su 30 metara promjera i 30 metara visine. Očekivani rok izgradnje ovog postrojenja je osam godina, a radni vijek 25 godina. Zapremina plazme u instalaciji je oko 850 kubnih metara. Struja plazme 15 megaampera. Termonuklearna snaga instalacije je 500 megavata i održava se 400 sekundi. U budućnosti se očekuje da će se to vrijeme povećati na 3000 sekundi, što će omogućiti provođenje prvih pravih studija fizike termonuklearne fuzije („termonuklearnog izgaranja“) u plazmi na reaktoru ITER.

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

TOKAMAK(skraćeno od "toroidna komora s magnetskim zavojnicama") - uređaj za održavanje visokih temperatura pomoću jakog magneta. polja. Ideju o T. izrazili su 1950. akademici I. E. Tamm i A. D. Sakharov; prvi pokusi Istraživanje ovih sustava počelo je 1956. godine.

Princip uređaja je jasan sa sl. 1. Plazma se stvara u toroidalnoj vakuumskoj komori, koja služi kao jedini zatvoreni zavoj sekundarnog namota transformatora. Pri prolasku struje koja se s vremenom povećava u primarnom namotu transformatora 1 unutar vakuumske komore 5 stvara se vrtložna uzdužna električna sila. polje. Kada početni plin nije jako velik (obično se koristi vodik ili njegovi izotopi), javlja se njegova električna snaga. proboj i vakuumska komora je ispunjena plazmom s naknadnim povećanjem velike uzdužne struje Ip. U modernom veliki T. struja u plazmi je nekoliko. milijuna ampera. Ta struja stvara vlastito poloidno (u ravnini presjeka plazme) magnetsko polje. polje U q. Osim toga, za stabilizaciju plazme koristi se jak uzdužni magnet. polje B f, stvoren pomoću posebnih namota toroidalnog magneta. polja. To je kombinacija toroidalnog i poloidnog magneta. polja osiguravaju stabilno zadržavanje visokotemperaturne plazme (vidi. Toroidni sustavi), potrebno za provedbu kontrolirana termonuklearna fuzija.

Riža. 1. Dijagram tokamaka: 1 - primarni namot transformater; 2 - zavojnice toroidnog magnetskog polja; 3 - liner, unutarnja komora tankih stijenki za graviranjesmanjenje toroidalnog električnog polja; 4 - kolutki poloidno magnetsko polje; 5 - vakuumske kamera; b-željezna jezgra (magnetska jezgra).

Radna ograničenja. Magn. T polje prilično dobro drži visokotemperaturnu plazmu, ali samo unutar određenih granica promjene njezinih parametara. Prva 2 ograničenja odnose se na struju plazme Ip i njezina usp. gustoća P, izraženo u jedinicama broja čestica (elektrona ili iona) po 1 m 3. Ispada da za zadanu vrijednost toroidalnog magneta. polje, struja plazme ne može prijeći određenu graničnu vrijednost, inače se plazma vrpca počinje uvijati duž spiralne linije i na kraju kolabira: tzv. nestabilnost prekida struje. Za karakterizaciju granične struje koristi se koeficijent. zaliha q nestabilnošću vijka, određenom relacijom q = 5B j a 2 /RI str. Ovdje A- mali, R- veliki radijus plazma kabla, B j - toroidalni mag. polje, Ip- struja u plazmi (dimenzije se mjere u metrima, magnetsko polje - u teslama, struja - u MA). Nužan uvjet za stabilnost plazma stupca je nejednakost q>], tzv. k r i t e r i m K r u-s k a la - Šafranova. Eksperimenti pokazuju da se pouzdano stabilan način držanja postiže samo pri vrijednostima od .

Postoje 2 granice gustoće - donja i gornja. Niži Granica gustoće povezana je s nastankom tzv. ubrzano, odn odbjegli elektroni. Pri niskim gustoćama učestalost sudara elektrona s ionima postaje nedovoljna da spriječi njihov prijelaz u način kontinuiranog ubrzanja u uzdužnom električnom polju. polje. Elektroni ubrzani do visokih energija mogu predstavljati opasnost za elemente vakuumske komore, pa je gustoća plazme odabrana tako visoko da nema ubrzanih elektrona. S druge strane, pri dovoljno visokoj gustoći, način zadržavanja plazme ponovno postaje nestabilan zbog zračenja i atomskih procesa na granici plazme, koji dovode do sužavanja strujnog kanala i razvoja spiralne nestabilnosti plazme. Vrh. granicu gustoće karakteriziraju bezdimenzionalni parametri My-crayfish M=nR/B j i hugella H=nqR/B j (ovdje u prosjeku po presjeku je gustoća elektrona n mjereno u jedinicama od 10 20 čestica/m 3). Za stabilno ograničenje plazme potrebno je da brojevi M I H nije prelazio određene kritične vrijednosti.

Kada se plazma zagrije i njezin tlak raste, pojavljuje se još jedna granica, koja karakterizira maksimalnu stabilnu vrijednost tlaka plazme, p = n(T e +T i), Gdje T e, T i-elektroničke i ionske temperature. Ova granica je nametnuta na vrijednost b jednaku omjeru cf. tlak plazme u magnetski tlak. polja; pojednostavljeni izraz za graničnu vrijednost b dan je Troyonovom relacijom b c =gI p /aB j, gdje g- numerički faktor jednak otprilike 3. 10 -2.

Toplinska izolacija. Mogućnost zagrijavanja plazme do vrlo visokih temperatura posljedica je činjenice da u jakom magnetskom polju. polje putanje naboja čestice izgledaju poput spirala namotanih na magnetsku liniju. polja. Zahvaljujući tome, elektroni i ioni se dugo zadržavaju unutar plazme. I to samo zbog sudara i malih električnih fluktuacija. i mag. polja, energija tih čestica može se prenijeti na stijenke u obliku toplinskog toka. Isti ti mehanizmi određuju veličinu difuzijskih tokova. Magnetska učinkovitost toplinsku izolaciju plazme karakterizira energija. doživotno t E = W/P, Gdje W-ukupni energetski sadržaj plazme, a P- snaga grijanja plazme potrebna za održavanje u stacionarnom stanju. Vrijednost t E također se može smatrati karakterističnim vremenom hlađenja plazme ako se snaga grijanja iznenada isključi. U mirnoj plazmi, tokovi čestica i topline na stijenke komore nastaju zbog parnih sudara elektrona i iona. Ti se tokovi teoretski izračunavaju uzimajući u obzir stvarne putanje naboja. čestica po mag. polje T. Odgovarajuća teorija difuzijskih procesa naziva se. neoklasični (vidi Migracijski procesi U stvarnoj plazmi T. uvijek postoje male fluktuacije polja i flukseva čestica, stoga stvarne razine topline i flukseva čestica obično znatno premašuju predviđanja neoklasičnih. teorije.

Pokusi provedeni na mnogim T. decomp. oblicima i veličinama, omogućili su sumiranje rezultata istraživanja mehanizama prijenosa u obliku odgovarajućih empirijskih istraživanja. ovisnosti. Konkretno, pronađene su energetske ovisnosti. doživotno t E od glavnog parametri plazme za razg. držati mod. Te se ovisnosti nazivaju s k e l i n g a m i; uspješno se koriste za predviđanje parametara plazme u novopuštenim instalacijama.

Samoorganizacija plazme. U plazmi T. uvijek postoje slabo nelinearni, koji utječu na profile raspodjele temperature, gustoće čestica i gustoće struje duž radijusa, kao da ih kontroliraju. Konkretno, u centar. područja plazma kabela vrlo su često prisutni tzv. pilaste oscilacije koje odražavaju periodički ponavljajući proces postupnog pogoršanja, a zatim oštrog izravnavanja temperaturnog profila. Oscilacije u obliku rampe sprječavaju kontrakciju struje prema magnetu. os torusa (vidi kontrakcija pražnjenja plina). Osim toga, u T. se s vremena na vrijeme pobuđuju spiralni modovi (tzv. t i r i n g modovi), koji se opažaju izvan kabela u obliku niskofrekventnih magnetskih valova. oklijevanje. Zamorni modovi doprinose uspostavljanju stabilnije raspodjele gustoće struje duž radijusa. Ako se plazmom postupa nedovoljno pažljivo, načini kidanja mogu postati toliko jaki da magnetske smetnje koje uzrokuju mogu polja uništavaju magnete. površine po cijelom volumenu plazma kabela, magnetski. konfiguracija se uništava, energija plazme se oslobađa na stijenke i struja u plazmi prestaje zbog njenog jakog hlađenja (vidi. Nestabilnost trganja).

Osim ovih volumetrijskih oscilacija, postoje oscilacijski modovi lokalizirani na granici plazma stupca. Ovi modovi su vrlo osjetljivi na stanje plazme na samoj periferiji; njihovo ponašanje je komplicirano atomskim procesima. Ext. i unutarnje titrajni modovi mogu snažno utjecati na procese prijenosa topline i čestica, dovode do mogućnosti prijelaza plazme iz jednog magnetskog moda. toplinska izolacija na drugu i natrag. Ako je u plazmi T. raspodjela brzina čestica vrlo različita od , tada se javlja mogućnost za razvoj kinetičke. nestabilnosti. Na primjer, s rađanjem velikog broja odbjeglih elektrona, tzv nestabilnost ventilatora, što dovodi do transformacije longitudinalne energije elektrona u transverzalnu energiju. Kinetička. nestabilnosti se također razvijaju u prisutnosti iona visoke energije koji nastaju kada su komplementarni. zagrijavanje plazme.

Grijanje plazmom. Plazma bilo kojeg T. automatski se zagrijava zbog Jouleove topline od struje koja teče kroz nju. Oslobađanje Jouleove energije dovoljno je za postizanje temperature od nekoliko. milijuna stupnjeva Za potrebe kontrolirane termonuklearne fuzije potrebne su temperature >10 8 K, stoga su svi veliki T. dopunjeni snažnim sustavima zagrijavanje plazme. U tu svrhu koriste se ili električni magneti. valovi razgrađeni raspone, ili usmjeriti brze čestice u plazmu. Za visokofrekventno zagrijavanje plazme prikladno je koristiti rezonancije koje odgovaraju unutarnjim. oscilirati procesa u plazmi. Na primjer, prikladno je zagrijavati ionsku komponentu u području harmonika ciklotronskih frekvencija ili bazično. iona plazme, ili posebno odabranih aditivnih iona. Elektroni se zagrijavaju elektronskom ciklotronskom rezonancijom.

Pri zagrijavanju iona s brzim česticama obično se koriste snažni snopovi neutralnih atoma. Takve zrake ne djeluju na magnetizam. polja i prodiru duboko u plazmu, gdje se ioniziraju i hvataju magnetizam. polje T.

Uz pomoć dodatnih metoda zagrijavanja moguće je podići temperaturu plazme T. na >3·10 8 K, što je sasvim dovoljno za odvijanje snažne termonuklearne reakcije. U budućim T.-reaktorima koji se razvijaju, zagrijavanje plazme provodit će se alfa česticama visoke energije koje nastaju reakcijom fuzije jezgri deuterija i tricija.

Stacionarni tokamak. Tipično, struja teče u plazmi samo u prisutnosti vrtložne električne struje. polje nastalo povećanjem magnetskog polja. protok u induktoru. Induktivni mehanizam za održavanje struje je vremenski ograničen, pa je odgovarajući način zadržavanja plazme pulsirajući. No, impulsni način nije jedini mogući, već se za održavanje struje može koristiti i zagrijavanje plazme ako se uz energiju u plazmu prenosi i impuls koji je različit za različite komponente plazme. Održavanje neinduktivne struje je olakšano generiranjem struje od strane same plazme tijekom njene difuzijske ekspanzije prema stijenkama (bootstrap efekt). Bootstrap efekt predvidjeli su neoklasični znanstvenici. teoriju, a potom eksperimentalno potvrđena. Eksperimenti pokazuju da se T. plazma može držati nepomično, a Ch. nastojanja da se praktički razvoj stacionarnog načina rada usmjeren je na povećanje učinkovitosti tekućeg održavanja.

Preusmjerivač, kontrola nečistoća. Za potrebe kontrolirane termonuklearne fuzije potrebna je vrlo čista plazma temeljena na izotopima vodika. Da bi se ograničila primjesa drugih iona u plazmi, u ranoj T. plazma je bila ograničena na tzv. l i m i t e r o m (Sl. 2, A), tj. dijafragmu koja sprječava da plazma dođe u kontakt s velikom površinom komore. U modernom T. koristi se mnogo složenija konfiguracija skretnika (Sl. 2, b), stvoren zavojnicama poloidnog magneta. polja. Ove zavojnice su potrebne čak i za plazmu s okruglim poprečnim presjekom: uz njihovu pomoć stvara se vertikalna magnetska komponenta. polja, rubovi pri interakciji s glavnim. struja plazme ne dopušta da se zavojnica plazme baci na zid u smjeru velikog radijusa. U konfiguraciji divertora, zavoji poloidnog magneta. polja su smještena tako da je presjek plazme izdužen u vertikalnom smjeru. Istovremeno, zatvoreni magnetski površine su sačuvane samo iznutra, izvana, njegove linije sile idu unutar divertorskih komora, gdje se tokovi plazme koji teku iz glavnog neutraliziraju. volumen. U divertorskim komorama moguće je adicijom ublažiti opterećenje od plazme na divertorskim pločama. hlađenje plazme tijekom međudjelovanja atoma.

Riža. 2. Presjek plazme s kružnim presjekom ( A) i okomito izduženi kako bi formirali konfiguraciju skretnika ( 6): 1-plazma; 2- graničnik; 3 - zid komore; 4 - separatrix; 5-divertorska komora; 6 - divertorske ploče.

Tokamak reaktor. CH. Cilj istraživanja na T. instalacijama je ovladavanje pojmom magnetske. Spremnik plazme za stvorenja fuzijski reaktor. Na T. moguće je stvoriti stabilnu visokotemperaturnu plazmu temperature i gustoće dovoljne za termonuklearni reaktor; utvrđeni su zakoni za toplinsku izolaciju plazme; svladavaju se metode održavanja struje i kontrole razine nečistoća. Rad na T. prelazi iz čisto fizičke faze. istraživanja u fazi izrade pokusa. .

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

Tokamak (toroidna komora s magnetskim zavojnicama) je toroidna instalacija za magnetsko zadržavanje plazme kako bi se postigli uvjeti potrebni za odvijanje kontrolirane termonuklearne fuzije. Plazmu u tokamaku ne drže stijenke komore, koje njezinu temperaturu mogu podnijeti samo do određene granice, već posebno stvoreno magnetsko polje. U usporedbi s drugim instalacijama koje koriste magnetsko polje za zadržavanje plazme, značajka tokamaka je korištenje električne struje koja teče kroz plazmu za stvaranje poloidnog polja potrebnog za komprimiranje, zagrijavanje i održavanje ravnoteže plazme. Ovo se posebno razlikuje od stelaratora, koji je jedna od alternativnih shema ograničenja u kojoj se i toroidna i poloidna polja stvaraju pomoću magnetskih zavojnica. Ali budući da je filament plazme primjer nestabilne ravnoteže, projekt tokamaka još nije implementiran i nalazi se u fazi iznimno skupih eksperimenata koji bi zakomplicirali instalaciju.

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

Tokamak magnetsko polje i tok.

Priča

Poštanska marka SSSR-a, 1987.

Prijedlog korištenja kontrolirane termonuklearne fuzije u industrijske svrhe i specifičnu shemu koja koristi toplinsku izolaciju visokotemperaturne plazme električnim poljem prvi je formulirao sovjetski fizičar O. A. Lavrentiev u radu sredinom 1950-ih. Ovaj je rad poslužio kao katalizator za sovjetska istraživanja problema kontrolirane termonuklearne fuzije. A.D. Sakharov i I.E. Tamm 1951. predložili su modificiranje sheme, predlažući teorijsku osnovu za termonuklearni reaktor, gdje bi plazma imala oblik torusa i bila sadržana u magnetskom polju.

Pojam "tokamak" kasnije je skovao Igor Nikolajevič Golovin, učenik akademika Kurčatova. U početku je zvučalo kao "tokamag" - skraćenica za riječi "toroidalna magnetska komora", ali N.A. Yavlinsky, autor prvog toroidalnog sustava, predložio je zamjenu "-mag" s "-mac" za eufoniju. Kasnije je ovo ime posuđeno u mnogim jezicima.

Prvi tokamak izgrađen je 1955. godine, a dugo su tokamaci postojali samo u SSSR-u. Tek nakon 1968. godine, kada je na tokamaku T-3, izgrađenom u Institutu za atomsku energiju. I.V.Kurchatova, pod vodstvom akademika L.A.Artsimovicha, postignuta je temperatura plazme od 10 milijuna stupnjeva, a engleski znanstvenici su svojom opremom potvrdili tu činjenicu, u koju isprva nisu htjeli vjerovati, u svijetu je započeo pravi bum tokamaka. Od 1973. istraživački program za fiziku plazme na tokamacima vodio je Boris Borisovič Kadomcev.

Trenutno se tokamak smatra uređajem koji najviše obećava za provedbu kontrolirane termonuklearne fuzije.

Uređaj

Tokamak je toroidalna vakuumska komora na koju su namotane zavojnice koje stvaraju toroidalno magnetsko polje. Zrak se prvo ispumpava iz vakuumske komore, a zatim se puni mješavinom deuterija i tricija. Zatim se pomoću induktora u komori stvara vrtložno električno polje. Induktor je primarni namot velikog transformatora, u kojem je komora tokamaka sekundarni namot. Električno polje uzrokuje strujanje i paljenje plazma komore.

Struja koja teče kroz plazmu obavlja dvije zadaće:

zagrijava plazmu na isti način kao i svaki drugi vodič (omsko zagrijavanje);

stvara magnetsko polje oko sebe. To se magnetsko polje naziva poloidnim (to jest, usmjereno duž linija koje prolaze kroz polove sfernog koordinatnog sustava).

Magnetsko polje komprimira struju koja teče kroz plazmu. Kao rezultat, formira se konfiguracija u kojoj spiralne linije magnetskog polja "uvijaju" plazma kabel. U tom slučaju korak tijekom rotacije u toroidnom smjeru ne podudara se s korakom u poloidnom smjeru. Pokazalo se da su magnetske linije nezatvorene; one se uvijaju oko torusa beskonačno mnogo puta, tvoreći takozvane "magnetske površine" toroidnog oblika.

Prisutnost poloidnog polja neophodna je za stabilno zadržavanje plazme u takvom sustavu. Budući da nastaje povećanjem struje u induktoru, a ne može biti beskonačna, vrijeme stabilnog postojanja plazme u klasičnom tokamaku je ograničeno. Kako bi se prevladalo ovo ograničenje, razvijene su dodatne metode održavanja struje. U tu svrhu može se koristiti ubrizgavanje ubrzanih neutralnih atoma deuterija ili tricija ili mikrovalno zračenje u plazmu.

Uz toroidalne zavojnice, potrebne su dodatne zavojnice poloidnog polja za upravljanje plazma kabelom. To su prstenasti zavoji oko vertikalne osi komore tokamaka.

Samo zagrijavanje zbog protoka struje nije dovoljno za zagrijavanje plazme na temperaturu potrebnu za termonuklearnu reakciju. Za dodatno zagrijavanje koristi se mikrovalno zračenje na takozvanim rezonantnim frekvencijama (na primjer, koje se podudaraju s ciklotronskom frekvencijom bilo elektrona ili iona) ili ubrizgavanje brzih neutralnih atoma.

Tokamaci i njihove karakteristike

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

SSSR i Rusija

T-3 je prvi funkcionalni uređaj.

T-4 - uvećana verzija T-3

T-7 je jedinstvena instalacija u kojoj je po prvi put u svijetu implementiran relativno veliki magnetski sustav sa supravodljivim solenoidom na bazi kositrenog niobata hlađenog tekućim helijem. Glavni zadatak T-7 je završen: pripremljena je perspektiva za sljedeću generaciju supravodljivih solenoida za termonuklearnu energiju.

T-10 i PLT su sljedeći korak u svjetskim termonuklearnim istraživanjima, gotovo su iste veličine, jednake snage, s istim faktorom ograničenja. A dobiveni rezultati su identični: u oba reaktora postignuta je temperatura termonuklearne fuzije, a zaostatak prema Lawsonovom kriteriju bio je 200 puta.

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

Kina

EAST - nalazi se u gradu Hefei, provincija Anhui. Lawsonov kriterij za razinu paljenja premašen je na tokamaku, koeficijent izlazne energije bio je 1,25

7 milijardi tenge iz proračuna zemlje uloženo u izgradnju i 6 godina prisilnog prekida u potrazi za izvorima financiranja. Projekt tokamaka u kazahstanskoj znanosti o materijalima bio je na rubu zatvaranja. No, situacija se radikalno promijenila zahvaljujući novim pravcima međunarodne suradnje. Novinar Grigory Bedenko posjetio je Kurchatov i pripremio izvješće posebno za Infromburo.kz o izgledima istraživanja u području kontrolirane termonuklearne fuzije.

Malo povijesti

Sredinom 20. stoljeća najrazvijenije zemlje svijeta vrlo su brzo ovladale atomskom energijom i naučile je koristiti kako u vojnim programima naoružanja, tako i za proizvodnju velikih količina toplinske i električne energije u miroljubive svrhe. Međutim, proces kontroliranog raspada atomske jezgre pokazao se krajnje nesigurnim za okoliš. Nesreće u nuklearnim elektranama i ogroman problem zbrinjavanja visokoradioaktivnog otpada lišili su perspektive ovu vrstu energije. Zatim, sredinom stoljeća, znanstvenici su pretpostavili da bi kontrolirana termonuklearna fuzija mogla biti alternativa. Stručnjaci su predložili ponavljanje, u zemaljskim uvjetima, procesa koji se odvijaju u dubinama zvijezda, i učenje ne samo za njihovu kontrolu, već i za dobivanje energije u količinama potrebnim za postojanje civilizacije. Kao što je poznato, termonuklearna fuzija temelji se na principu fuzije lakih vodikovih jezgri u teže uz nastanak helija. U tom se slučaju oslobađa puno više energije nego tijekom obrnutog procesa, kada se jezgre teških elemenata dijele na lakše uz enormno oslobađanje energije i stvaranje izotopa raznih elemenata periodnog sustava elemenata. U termonuklearnim reaktorima nema štetnih učinaka niti opasnog proizvodnog otpada.

Dijagram međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER

Zanimljivo je da je sam proces termonuklearne fuzije prilično lako rekreiran za programe naoružanja, ali se razvoj projekata miroljubive energije pokazao gotovo nemogućim zadatkom. Glavna stvar za hidrogensku bombu je, zapravo, pokrenuti proces fuzije, koji se odvija u nanosekundama. Ali energetski termonuklearni reaktor zahtijeva posebne uvjete. Za dobivanje energije potrebno je visokotemperaturnu plazmu određeno vrijeme držati u kontroliranom stanju – zagrijava se od 10 do 30 milijuna Celzijevih stupnjeva. Ograničavanjem takve plazme stvaraju se fizički uvjeti za fuziju lakih jezgri deuterija i tricija u teške. Štoviše, trebalo bi se osloboditi više energije nego što bi se potrošilo na zagrijavanje i zadržavanje plazme. Vjeruje se da bi jedan impuls s kontroliranom termonuklearnom fuzijom s pozitivnim koeficijentom oslobađanja energije trebao trajati najmanje 500 sekundi. Ali za takvo vrijeme i na takvim temperaturama, niti jedan strukturni materijal perspektivnog reaktora to neće izdržati. Jednostavno će ispariti. A s problemom znanosti o materijalima znanstvenici diljem svijeta bore se više od pola stoljeća gotovo bezuspješno.

Plazma dobivena u kazahstanskom tokamaku za znanost o materijalima / Materijali osigurani od Instituta za atomsku energiju Nacionalnog nuklearnog centra Republike Kazahstan

Materijali osigurani od Instituta za atomsku energiju NNC RK

Ovaj vrlo usporeni video prikazuje stvaranje plazme u kazahstanskom tokamaku (materijali osigurani od Instituta za atomsku energiju Nacionalnog nuklearnog centra Republike Kazahstan)

Stvaranje plazme u CFT

Što su tokamak i stelarator?

Kratica je ruska, jer je prva instalacija razvijena u Sovjetskom Savezu. Tokamak je toroidalna komora s magnetskim zavojnicama. Torus je trodimenzionalna geometrijska figura (u obliku krafne, jednostavnim riječima), a toroid je tanka žica omotana oko okvira u obliku torusa. Tako se visokotemperaturna plazma u instalaciji formira i zadržava u obliku torusa. U ovom slučaju, glavni princip tokamaka je da plazma ne stupa u interakciju sa zidovima komore, već visi u prostoru, takoreći, držana super-snažnim magnetskim poljem. Shemu toplinske izolacije plazme i način korištenja takvih instalacija u industrijske svrhe prvi je predložio sovjetski fizičar Oleg Aleksandrovič Lavrentjev. Prvi tokamak izgrađen je 1954. godine i dugo je postojao samo u SSSR-u. Do danas je u svijetu izgrađeno oko dvjesto sličnih uređaja. Trenutno postoje operativne toroidalne komore za proučavanje kontrolirane termonuklearne fuzije u Rusiji, SAD-u, Japanu, Kini i Europskoj uniji. Najveći međunarodni projekt na ovom području je ITER (o tome kasnije). Inicijator izgradnje tokamaka za znanost o materijalima u Kazahstanu bio je voditelj ruskog Kurčatovljevog instituta, akademik Evgenij Pavlovič Velihov. Od 1975. vodio je sovjetski program kontroliranih fuzionih reaktora. Ideja o izgradnji postrojenja na bivšem poligonu za nuklearna ispitivanja Semipalatinsk pojavila se 1998. godine, kada se Velihov sastao s predsjednikom Republike Kazahstan Nursultanom Nazarbajevom.

Shema zadržavanja plazme u stelaratoru / Materijali osigurani od Instituta za atomsku energiju NNC RK

Stelarator je alternativni tip reaktora tokamaku za izvođenje kontrolirane termonuklearne fuzije. Izumio ga je američki astrofizičar Lyman Spitzer 1950. Naziv dolazi od latinske riječi stella (zvijezda), što ukazuje na sličnost procesa unutar zvijezda i u instalaciji koju je napravio čovjek. Glavna razlika je u tome što magnetsko polje za izolaciju plazme od unutarnjih stijenki komore stvaraju isključivo vanjske zavojnice, što mu omogućuje da se koristi u kontinuiranom načinu rada. Plazma u stelaratoru formira se u obliku "zgužvane krafne" i takoreći se uvija. Danas istraživački stelaratori postoje u Rusiji, Ukrajini, Njemačkoj i Japanu. Štoviše, najveći svjetski stelarator, Wendelstein 7-X (W7-X), nedavno je lansiran u Njemačkoj.

Kazahstanski tokamak iz znanosti o materijalima / Grigorij Bedenko

Sve su to istraživački objekti", kaže voditelj znanstvene skupine projekta KTM. Stellarator se razlikuje po konfiguraciji svog magnetskog polja. U tokamaku se za zadržavanje plazme koriste takozvani toroidni namot i poloidni vanjski namot. Ali u stelaratoru je obrnuto - postoji namotana rana u spirali, koja obavlja funkcije i toroidne i poloidne. Tokamak je u početku impulsna instalacija, a stelarator je stacionarnija instalacija, odnosno prednost upletenog namota omogućuje vam da držite plazmu na neodređeno vrijeme. Stelaratori su razvijeni u isto vrijeme kad i tokamaci, a svojedobno su tokamaci prednjačili u parametrima plazme. Počela je "procesija" tokamaka diljem svijeta. Ali svejedno, stelaratori se razvijaju. Dostupni su u Japanu; nedavno su izgrađeni u Njemačkoj - pušten je u rad Wendelstein 7-X (W7-X). U SAD postoji stelarator. Osim toga, postoji ogroman broj svih vrsta istraživačkih instalacija s djelomično zatvorenom magnetskom plazmom - to su razne zamke. Postoji i inercijalna termonuklearna fuzija, kada se mala meta zagrijava laserskim zračenjem. Ovo je tako mala termonuklearna eksplozija.

Jedinice i sklopovi gornjeg dijela instalacije / Grigorij Bedenko

Pa ipak, tokamak se danas smatra najperspektivnijim industrijskim termonuklearnim reaktorom.

Tehnološka zgrada u kojoj je smješten KTM / Grigorij Bedenko

Tokamak u Kazahstanu

Kazahstanska instalacija izgrađena je do 2010. godine na posebno određenom mjestu u administrativnoj zoni bivšeg poligona Semipalatinsk - grada Kurčatova. Kompleks se sastoji od nekoliko tehnoloških zgrada u kojima su smještene komponente i sklopovi tokamaka, kao i radionice, prostorije za obradu podataka, smještaj osoblja itd. Projekt je razvijen u Rusiji na temelju Nacionalnog centra za termonuklearna istraživanja (Institut Kurčatov). Vakuumska komora, magnetske zavojnice itd. Dizajnirane su i sastavljene u Istraživačkom institutu za elektrofizičku opremu nazvanu. D.V. Evremov (Istraživački institut EFA), automatizacija - na Politehničkom institutu Tomsk. U projektu su s ruske strane sudjelovali i Sveruski institut struja (NII TVCH), TRINITI (Troicki institut za inovativna i termonuklearna istraživanja). Generalni projektant iz Kazahstana bio je Promenergoproekt LLP, a izravno je instaliran kompleks Kazelektromontazh UPC. Nakon što su svi radovi završeni, CTM je lansiran i proizveo prvu plazmu. Tada je obustavljeno financiranje projekta, a tokamak se na dugih šest godina pretvorio u skupu visokotehnološku turističku atrakciju.

Ugradnja opreme za naknadnu ugradnju za KTM / Grigory Bedenko

Drugi život KTM-a

Projekt je ponovno pokrenut uoči EXPO-a 2017. u Astani. Savršeno se uklopio u koncept Svjetske izložbe posvećene energiji budućnosti. Dana 9. lipnja instalacija je ponovno pokrenuta u nazočnosti velikog broja novinara. Ruski programeri bili su prisutni na lansiranju. Kako je rečeno tijekom ceremonije, svrha prve faze fizičkog lansiranja je otklanjanje grešaka i testiranje standardnih KTM sustava. Također, prema riječima voditelja Nacionalnog nuklearnog centra Republike Kazahstan Erlana Batyrbekova, na temelju kazahstanskog tokamaka znanstvenici iz različitih zemalja moći će provoditi širok spektar istraživanja, uključujući modernizaciju postojećih industrijskih reaktora.

AC pretvarač za KTM ima futuristički izgled / Grigory Bedenko

Tada se situacija razvijala u još povoljnijem smjeru. U Astani, tijekom Ministarske konferencije i VIII. međunarodnog energetskog foruma, Kazahstan je dobio službeni poziv da postane pridruženi član međunarodne organizacije ITER. Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor stvara skupina zemalja kako bi pokazala mogućnost komercijalne uporabe termonuklearne energije, kao i rješavanje fizičkih i tehnoloških problema u ovom području. U biti, ITER je ogroman i vrlo složen tokamak. U projektu sudjeluju zemlje Europske unije, Indija, Kina, Južna Koreja, Rusija, SAD, Japan, a sada i naša zemlja. Iz Kazahstana će istraživanje na tu temu provesti stručnjaci iz Nacionalnog nuklearnog centra, Istraživačkog instituta za eksperimentalnu i teorijsku fiziku Kazahstanskog nacionalnog sveučilišta. Al-Farabi, Institut za nuklearnu fiziku, Metalurški pogon Ulba, KazNIPIEnergoprom i Kazelektromash. ITER će biti stvoren u Francuskoj, 60 kilometara od Marseillea. Trenutno se cijena projekta procjenjuje na 19 milijardi eura. Lansiranje instalacije predviđeno je za 2025. godinu.

Baurzhan Chektybaev / Grigorij Bedenko

Baurzhan Chektybaev, voditelj znanstvene skupine projekta CTM

Dana 10. lipnja sklopljen je memorandum o zajedničkom istraživanju ITER-a i KTM-a. U okviru ovog sporazuma trenutno je u pripremi projekt interakcije s međunarodnom organizacijom ITER. Zainteresirani su za našu instalaciju. Sam projekt ITER također nije jednostavan, postoji problem materijala. U sklopu projekta proučavat ćemo volfram i berilij. Od tog će materijala biti izrađene određene komponente i dijelovi ITER-a. Utjerat ćemo ih. Cijeli prvi zid reaktora ITER bit će obložen pločicama od volframa i berilija. Sama vakuumska komora sastoji se od divertera, u koji teku tokovi plazme, gdje je najintenzivnije mjesto - 20 MW po kvadratnom metru. Bit će volframa. Ostatak prvog zida bit će obložen berilijem.

KTM je vrlo složen sustav s tehnološkog gledišta / Grigorij Bedenko

- Zašto unutraITERtoliko zainteresirani za naš tokamak?

Osim znanosti o materijalima, zadatak naše instalacije je i proučavanje fizike plazme. CTM je jedinstven u smislu omjera stranica. Postoji takav parametar, jedan od glavnih za tokamake - omjer velikog polumjera od osi do središta plazme prema malom, odnosno od osi plazme do njezinih rubova. Za nas je ovaj parametar jednak dva. U istom ITER-u - 3.1. Svi tokamaci koji imaju više od 3 su klasični. Postoji moderan smjer tokamaka - to su sferni tokamaci, u kojima je omjer širine i visine manji od 2 - jedan i pol, pa čak i niži - to su hladne, gotovo sferne komore. Naš tokamak nalazi se, takoreći, u graničnom položaju, između klasičnih i sfernih tokamaka. Takvih instalacija još nije bilo, a ovdje će se, mislim, provesti zanimljiva istraživanja o ponašanju plazme. Takva postrojenja se smatraju hibridnim reaktorima budućnosti ili volumetrijskim izvorima neutrona.

Donji dio vakuumske komore KTM-a / Fotografija Grigorija Bedenka

- Koliko je perspektivna suradnja sITER?Hoće li to spasiti projekt?

2010. godine izvršeno je probno lansiranje s opremom i spremnošću koja je tada bila dostupna. Zadatak je bio pokazati da instalacija “diše” i da je sposobna za rad. Iste desete godine ostali smo bez sredstava. Zatim je uslijedilo šest godina neaktivnosti. Sve ovo vrijeme smo se borili za proračun. Prethodno je odobren 2006. godine i morao je biti potpuno revidiran. Oko 80% naše opreme je inozemna, au kontekstu poznatih događanja u globalnom financijskom sustavu, objekt je znatno poskupio od prvobitno planiranog. U 2016. godini, nakon prilagodbe proračuna projekta, dodijeljena su dodatna sredstva. Instalacija je već koštala kazahstanski proračun 7 milijardi tenge. To uključuje građevinske i montažne radove, izradu vakuumske komore i elektromagnetskog sustava.

Istraživači moraju biti majstori svih zanata / Grigorij Bedenko

- Što se sada događa? U lipnju je bio probni rad.

Sada je stvaranje KTM-a u završnoj fazi. Trenutno je u tijeku montaža i puštanje u rad glavnih i pomoćnih sustava. Sklopili smo ugovor s glavnim izvođačem koji je pobijedio na natječaju. Postoje dvije tvrtke, jedna se bavi građevinskim i instalacijskim radovima, druga - puštanjem u pogon. "KazIntelgroup" se bavi građevinskim i instalacijskim radovima, "Jamac kvalitete XXI stoljeće" bavi se puštanjem u rad. Završetak izgradnje instalacije planiran je ove godine. Zatim će se prije kraja godine održati fizičko lansiranje. U 2018. instalacija će biti puštena u rad i počet će eksperimenti u punom opsegu. Unutar 3 godine planiramo doći do nominalnih projektnih parametara koji su uključeni u instalaciju, a zatim dalje istraživati materijale.

Na nekim mjestima KTM podsjeća na vanzemaljski brod / Foto Grigorij Bedenko

- Kako stojite s odabirom zaposlenika?

Većina mladih stručnjaka su diplomanti kazahstanskih sveučilišta, iz Ust-Kamenogorska, Pavlodara i Semeja. Neki su diplomirali na ruskim sveučilištima, na primjer, Politehničko sveučilište u Tomsku. Kadrovsko pitanje je akutno. Prema projektu, trebalo bi raditi oko 120 ljudi, radi 40. Iduće godine, kada kompleks bude pušten u rad, tada će biti i zapošljavanje. Ali pronaći stručnjake u ovom području zaseban je i težak zadatak.

Dmitry Olkhovik, voditelj odjela KTM-ovih eksperimentalnih sustava za automatizaciju

Osobitost CFT-a je u tome što ima rotacijski diverter uređaj, to jest, svi materijali koji se proučavaju mogu se rotirati unutar komore. Osim toga, tu je i transportni pristupni uređaj. To omogućuje ponovno punjenje materijala koji se proučavaju bez pada tlaka u vakuumskoj komori. Na drugim instalacijama postoje određene poteškoće: ako je komora bila bez tlaka, potrebno je najmanje tjedan ili dva da se ponovno pripremi za nova lansiranja. Lako možemo zamijeniti ispitne uzorke u jednoj kampanji, bez gubljenja vremena na depresurizaciju. Ovo je ekonomska prednost instalacije.

Neke vrste nove opreme još uvijek su u originalnom pakiranju / Grigorij Bedenko

- Kako će se izvoditi pokusi?

Na takvim postrojenjima provode se dvije pokusne kampanje godišnje. Na primjer, provodimo kampanju u proljeće, zatim ljeti analiziramo dobivene podatke i planiramo daljnje eksperimente. Druga kampanja održava se u jesen. Sama kampanja traje od dva do tri mjeseca. Dva su glavna problema na putu stvaranja fuzijskog reaktora. Prvi je razviti tehnologiju za proizvodnju i zadržavanje plazme, drugi je razviti materijale, one koji se izravno obraćaju plazmi, jer je plazma visoke temperature. Ogromni tokovi energije lete i utječu na materijal. Materijal se pak uništava i raspršuje. A ulazak tih čestica u plazmu ima izrazito negativan učinak. Plazma je vrlo osjetljiva na nečistoće. Oni hlade plazmu i na kraju je gase. Tu je i tema utjecaja neutrona na konstrukcijske materijale. Naš tokamak testirat će materijale kako bi odredio njihovu otpornost na toplinu. To znači da se ne mogu prskati i da su kompatibilni s plazmom. Kao takvi materijali proučavat će se volfram i berilij. Testirat ćemo ih, vidjeti kako se ponašaju u uvjetima velikih protoka plazme, kao na ITER-u.

U KTM-u se koriste velike struje / Grigorij Bedenko

- Koji se radovi provode na retrofitu KTM-a?

Montaža tehnoloških sustava za vakuumske sustave, sustave hlađenja. Ovo je vrlo složena električna instalacija. Da biste dobili magnetsko polje, morate uzeti puno energije iz mreže. Postoji određeni kompleks za pretvorbu energije. Polazeći od impulsnog sustava napajanja, koristi se puno nosivih transformatora, a koristi se kompleks teristorskog pretvarača, odnosno prilično složen sustav u smislu rada, upravljanja, a sustav je vrlo razgranat. Odnosno, sav se ovaj posao sada izvodi, prilagođavaju se napajanja.

Posao je vrlo mukotrpan / Grigorij Bedenko

Rad sa novom KTM opremom

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

Kada radi u nominalnom načinu rada, unos električne energije iz mreže bit će oko 80-100 MW. Za jedan eksperiment. Tu je i standardni dodatni sustav grijanja, koji će također pumpati energiju iz mreže.

Sustav napajanja s magnetskom zavojnicom / Grigory Bedenko

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

Vjeruje se da je kontrolirana termonuklearna fuzija alternativni ekološki prihvatljiv izvor energije. Nesreće poput Černobila, Fukushime itd. ovdje se jednostavno fizički ne mogu dogoditi. Najozbiljnija stvar koja se može dogoditi je pad tlaka u vakuumskoj komori u kojoj se nalazi plazma. U tom slučaju dolazi do gašenja plazme i tih nekoliko grama termonuklearnog goriva koje je bilo u komori iscuri van.

Gornji dio instalacije / Grigorij Bedenko

I još nekoliko zanimljivosti o ITER-u, najvećem međunarodnom projektu u povijesti takvih istraživanja, u koji naši stručnjaci polažu velike nade. Kao što je već spomenuto, ITER je međunarodna organizacija koja uključuje više od desetak zemalja: Rusiju, Francusku, Japan, Kinu, Indiju, Europsku uniju, Kanadu i SAD. Zanimljivo je da je doprinos svake zemlje projektu napravljen u obliku gotovih proizvoda. Na primjer, Rusija proizvodi neke kriogene namotaje temeljene na supravodičima, energetsku opremu itd.

Radovi na postavljanju sustava napajanja na KTM-u / Grigorij Bedenko

ITER još nije energetsko postrojenje; neće davati energiju. Ovo je tehnološka demonstracija izvedivosti proizvodnje plazme s izlaznom energijom. Nakon ITER-a, kada se razviju tehnologije, napravit će se pokazni reaktor koji će već davati energiju. To će se dogoditi negdje 40-50-ih godina 21. stoljeća. Odnosno 100 godina nakon početka istraživanja ove teme.

Kontrolna soba KTM-a / Grigorij Bedenko

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

KTM jedinice / Grigorij Bedenko

Očigledno, princip rada termonuklearnog reaktora snage bit će sljedeći. Prvi element, koji će apsorbirati toplinsku energiju plazme, u sebi će sadržavati kanale za izmjenu topline. Tada je sve isto kao u konvencionalnoj elektrani - zagrijavanje rashladne tekućine sekundarnog kruga, okretanje turbina i proizvodnja električne energije.

Opći pogled na reaktorsku halu KTM / Grigorij Bedenko

Fizičko lansiranje ITER-a održat će se 2025. godine. U rad će biti pušten 2028. godine. Na temelju rezultata rada razmatra se mogućnost stvaranja hibridnih reaktora - gdje se neutroni iz termonuklearne fuzije koriste za cijepanje nuklearnog goriva.

Da bi se ostvarili uvjeti potrebni za nastanak. Plazmu u tokamaku ne drže stijenke komore, koje nisu u stanju izdržati temperaturu potrebnu za termonuklearne reakcije, već posebno stvoreno kombinirano magnetsko polje - toroidno vanjsko i poloidno polje struje koja teče kroz plazmu. kabel. U usporedbi s drugim instalacijama koje koriste magnetsko polje za zadržavanje plazme, uporaba električne struje glavna je značajka tokamaka. Struja u plazmi osigurava zagrijavanje plazme i održavanje ravnoteže niti plazme u vakuumskoj komori. Na taj se način tokamak posebno razlikuje od stelaratora, koji je jedna od alternativnih shema zatvorenosti u kojoj se i toroidna i poloidna polja stvaraju pomoću vanjskih magnetskih zavojnica.

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

Priča

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

Uređaj

Tokamak je toroidalna vakuumska komora na koju su namotane zavojnice koje stvaraju toroidalno magnetsko polje. Zrak se prvo ispumpava iz vakuumske komore, a zatim se puni mješavinom deuterija i tricija. Zatim pomoću induktor u komori se stvara vrtložno električno polje. Induktor je primarni namot velikog transformatora, u kojem je komora tokamaka sekundarni namot. Električno polje uzrokuje strujanje i paljenje u plazma komori.

Struja koja teče kroz plazmu obavlja dvije zadaće:

zagrijava plazmu na isti način kao i svaki drugi vodič (omsko zagrijavanje);
stvara magnetsko polje oko sebe. Ovo magnetsko polje se zove poloidan(to jest, usmjeren duž linija koje prolaze motke sferni koordinatni sustav).

Prisutnost poloidnog polja neophodna je za stabilno zadržavanje plazme u takvom sustavu. Budući da nastaje povećanjem struje u induktoru, a ne može biti beskonačno, vrijeme stabilnog postojanja plazme u klasičnom tokamaku ipak je ograničeno na nekoliko sekundi. Kako bi se prevladalo ovo ograničenje, razvijene su dodatne metode održavanja struje. U tu svrhu može se koristiti ubrizgavanje u plazmu ubrzanih neutralnih atoma deuterija ili tricija ili mikrovalno zračenje.

Uz toroidalne zavojnice, potrebne su dodatne za upravljanje plazma kabelom. zavojnice poloidnog polja. To su prstenasti zavoji oko vertikalne osi komore tokamaka.

Tokamaci i njihove karakteristike

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

SSSR i Rusija

Kazahstan

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