Apa itu tokamak? Reaktor termonuklir akan membuka era baru bagi umat manusia. Gerakan teknokratis Instalasi Tokamak

alat untuk melakukan reaksi fusi termonuklir dalam plasma panas dalam mode kuasi-stasioner, dimana plasma dibuat dalam ruang toroidal dan distabilkan oleh medan magnet. Tujuan dari instalasi ini adalah untuk mengubah energi intranuklir menjadi panas dan kemudian menjadi listrik. Kata “tokamak” sendiri merupakan singkatan dari nama “toroidal magnetic chamber”, namun pembuat instalasinya mengganti huruf “g” di akhir dengan “k” agar tidak menimbulkan asosiasi dengan sesuatu yang magis.

Seseorang memperoleh energi atom (baik di dalam reaktor maupun di dalam bom) dengan membagi inti unsur berat menjadi inti yang lebih ringan. Energi per nukleon maksimum untuk besi (yang disebut “besi maksimum”), dan seterusnya maksimum di tengah, maka energi akan dilepaskan tidak hanya pada saat peluruhan unsur berat, tetapi juga pada saat penggabungan unsur ringan. Proses ini disebut fusi termonuklir dan terjadi pada bom hidrogen dan reaktor fusi. Ada banyak reaksi termonuklir dan reaksi fusi yang diketahui. Sumber energinya bisa berupa bahan bakar yang murah, dan ada dua cara yang berbeda secara mendasar untuk memulai reaksi fusi.

Cara pertama adalah “eksplosif”: sebagian energi dihabiskan untuk membawa sejumlah kecil zat ke keadaan awal yang diperlukan, reaksi sintesis terjadi, dan energi yang dilepaskan diubah menjadi bentuk yang sesuai. Sebenarnya ini adalah bom hidrogen, beratnya hanya satu miligram. Bom atom tidak dapat digunakan sebagai sumber energi awal; ia tidak “kecil”. Oleh karena itu, diasumsikan bahwa tablet es deuterium-tritium berukuran milimeter (atau bola kaca dengan campuran terkompresi deuterium dan tritium) akan disinari dari semua sisi dengan pulsa laser. Kerapatan energi pada permukaan harus sedemikian rupa sehingga lapisan atas tablet, yang telah berubah menjadi plasma, dipanaskan sampai suhu di mana tekanan pada lapisan dalam dan pemanasan lapisan dalam tablet itu sendiri menjadi cukup untuk reaksi sintesis. Dalam hal ini, denyut nadi harus sangat pendek sehingga zat yang telah berubah menjadi plasma dengan suhu sepuluh juta derajat dalam nanodetik tidak sempat terbang terpisah, melainkan menekan bagian dalam tablet. Bagian dalam ini dikompresi hingga kepadatannya seratus kali lebih besar daripada kepadatan padatan dan dipanaskan hingga seratus juta derajat.

Cara kedua. Zat awal dapat dipanaskan secara relatif lambat - zat tersebut akan berubah menjadi plasma, dan kemudian energi dapat dimasukkan ke dalamnya dengan cara apa pun, hingga kondisi untuk memulai reaksi tercapai. Agar reaksi termonuklir terjadi dalam campuran deuterium dan tritium dan memperoleh keluaran energi positif (ketika energi yang dilepaskan sebagai akibat dari reaksi termonuklir lebih besar daripada energi yang dikeluarkan untuk reaksi ini), maka perlu dibuat plasma. dengan kepadatan minimal 10 14 partikel/cm 3 (10 5 atm.), dan panaskan hingga kira-kira 10 9 derajat, sementara plasma menjadi terionisasi sempurna.

Pemanasan seperti itu diperlukan agar inti-inti tersebut dapat saling mendekat, meskipun terjadi tolakan Coulomb. Dapat ditunjukkan bahwa untuk memperoleh energi, keadaan ini harus dipertahankan setidaknya selama satu detik (yang disebut “kriteria Lawson”). Rumusan kriteria Lawson yang lebih tepat: hasil kali konsentrasi dan waktu mempertahankan keadaan ini harus berorde 10 15 cm cm 3. Masalah utamanya adalah stabilitas plasma: dalam sedetik ia akan punya waktu untuk mengembang berkali-kali, menyentuh dinding ruangan dan mendingin.

Pada tahun 2006, komunitas internasional memulai pembangunan reaktor percontohan. Reaktor ini tidak akan menjadi sumber energi yang sebenarnya, tetapi dirancang sedemikian rupa sehingga setelah semuanya berfungsi dengan baik maka akan memungkinkan untuk memulai pembangunan yang “energi”, yaitu. reaktor termonuklir yang dimaksudkan untuk dimasukkan dalam jaringan listrik. Proyek fisik terbesar (akselerator, teleskop radio, stasiun luar angkasa) menjadi sangat mahal sehingga mempertimbangkan dua pilihan ternyata tidak terjangkau bahkan bagi umat manusia, yang telah menyatukan upayanya, sehingga sebuah pilihan harus dibuat.

Awal pengerjaan fusi termonuklir terkendali seharusnya dimulai pada tahun 1950, ketika I.E. Tamm dan A.D. Sakharov sampai pada kesimpulan bahwa fusi termonuklir terkendali (CTF) dapat diwujudkan dengan menggunakan pengurungan magnetik plasma panas. Pada tahap awal, pekerjaan di negara kita dilakukan di Institut Kurchatov di bawah kepemimpinan L.A. Artsimovich. Masalah utama dapat dibagi menjadi dua kelompok: masalah ketidakstabilan plasma dan masalah teknologi (vakum murni, ketahanan terhadap radiasi, dll.) Tokamak pertama dibuat pada tahun 1954-1960, sekarang lebih dari 100 tokamak telah dibangun di dunia. Pada tahun 1960-an, ditunjukkan bahwa pemanasan dengan melewatkan arus (“pemanasan ohmik”) saja tidak dapat membawa plasma ke suhu fusi. Cara paling alami untuk meningkatkan kandungan energi plasma tampaknya adalah metode injeksi eksternal partikel netral cepat (atom), tetapi baru pada tahun 1970-an tingkat teknis yang diperlukan tercapai dan eksperimen nyata dilakukan dengan menggunakan injektor. Saat ini, pemanasan partikel netral dengan injeksi dan radiasi elektromagnetik dalam rentang gelombang mikro dianggap paling menjanjikan. Pada tahun 1988, Institut Kurchatov membangun tokamak T-15 generasi pra-reaktor dengan belitan superkonduktor. Sejak tahun 1956, ketika selama kunjungan N.S. Khrushchev ke Inggris Raya, I.V. Kurchatov mengumumkan pelaksanaan pekerjaan ini di Uni Soviet. Pekerjaan di bidang ini dilakukan bersama oleh beberapa negara. Pada tahun 1988, Uni Soviet, Amerika Serikat, Uni Eropa dan Jepang mulai merancang reaktor tokamak eksperimental pertama (instalasinya akan dibangun di Perancis).

Dimensi reaktor yang dirancang adalah diameter 30 meter dan tinggi 30 meter. Perkiraan masa konstruksi instalasi ini adalah delapan tahun, dan umur pengoperasian adalah 25 tahun. Volume plasma di instalasi itu sekitar 850 meter kubik. Arus plasma 15 megaamps. Tenaga termonuklir instalasi tersebut adalah 500 Megawatt dan dipertahankan selama 400 detik. Di masa depan, waktu ini diperkirakan akan ditingkatkan menjadi 3000 detik, yang akan memungkinkan dilakukannya studi nyata pertama tentang fisika fusi termonuklir (“pembakaran termonuklir”) dalam plasma di reaktor ITER.

Lukyanov S.Yu. Plasma panas dan fusi nuklir terkendali. M., Nauka, 1975
Artsimovich L.A., Sagdeev R.Z. Fisika plasma untuk fisikawan. M., Atomizdat, 1979
Hegler M., Christiansen M. Pengantar Fusi Terkendali. M., Mir, 1980
Killeen J. Fusi termonuklir terkendali. M., Mir, 1980
Boyko V.I. Fusi termonuklir terkendali dan masalah fusi termonuklir inersia. Majalah pendidikan Soros. 1999, no.6

TOKAMAK(disingkat dari "ruang toroidal dengan kumparan magnet") - alat untuk menahan suhu tinggi menggunakan magnet yang kuat. bidang. Ide T. diungkapkan pada tahun 1950 oleh akademisi I. E. Tamm dan A. D. Sakharov; percobaan pertama Penelitian tentang sistem ini dimulai pada tahun 1956.

Prinsip perangkat ini jelas dari Gambar. 1. Plasma dibuat dalam ruang vakum toroidal, yang berfungsi sebagai satu-satunya putaran tertutup dari belitan sekunder transformator. Ketika melewati arus yang meningkat seiring waktu pada belitan primer transformator 1 di dalam ruang vakum 5 gaya listrik longitudinal pusaran tercipta. bidang. Ketika gas awal tidak terlalu besar (biasanya digunakan hidrogen atau isotopnya), timbul tenaga listrik. kerusakan dan ruang vakum diisi dengan plasma dengan peningkatan selanjutnya dalam arus longitudinal yang besar Aku p. Secara modern T besar arus dalam plasma beberapa. juta ampere. Arus ini menciptakan medan magnet poloidalnya sendiri (pada bidang penampang plasma). bidang DI DALAM Q. Selain itu, magnet longitudinal yang kuat digunakan untuk menstabilkan plasma. bidang B f, dibuat menggunakan khusus gulungan magnet toroidal. bidang. Ini adalah kombinasi magnet toroidal dan poloidal. bidang memastikan pengurungan plasma suhu tinggi yang stabil (lihat. Sistem toroidal), diperlukan untuk implementasi fusi termonuklir yang terkendali.

Beras. 1. Diagram Tokamak: 1 - trans belitan primerpemformat; 2 - kumparan medan magnet toroidal; 3 - liner, ruang dalam berdinding tipis untuk ukiranpengurangan medan listrik toroidal; 4 - gulunganmedan magnet ki poloidal; 5 - vakum kamera; B-inti besi (inti magnet).

Batasan pengoperasian. Mag. bidang T menahan plasma suhu tinggi dengan cukup baik, tetapi hanya dalam batas perubahan parameter tertentu. 2 batasan pertama berlaku untuk arus plasma Aku p dan lihnya. kepadatan P, dinyatakan dalam satuan jumlah partikel (elektron atau ion) per 1 m 3. Ternyata untuk nilai magnet toroidal tertentu. bidang, arus plasma tidak dapat melebihi nilai batas tertentu, jika tidak, kabel plasma mulai berputar sepanjang garis heliks dan akhirnya runtuh: yang disebut. ketidakstabilan interupsi saat ini. Untuk mengkarakterisasi arus pembatas, koefisien digunakan. saham Q oleh ketidakstabilan sekrup, ditentukan oleh relasi q = 5B J a 2 /RI hal. Di Sini A- kecil, R- radius besar kabel plasma, B j - mag toroidal. bidang, Aku p- arus dalam plasma (dimensi diukur dalam meter, medan magnet - dalam teslas, arus - dalam MA). Kondisi yang diperlukan untuk stabilitas kolom plasma adalah ketidaksetaraan Q>], disebut. k r i t e r i m K r u-s k a la - Shafranova. Eksperimen menunjukkan bahwa mode penahanan yang stabil dan andal hanya dicapai pada nilai .

Ada 2 batasan kepadatan - bawah dan atas. Lebih rendah Batas kepadatan dikaitkan dengan pembentukan apa yang disebut. dipercepat, atau elektron yang melarikan diri. Pada kepadatan rendah, frekuensi tumbukan elektron dengan ion menjadi tidak cukup untuk mencegah peralihannya ke mode percepatan kontinu dalam medan listrik longitudinal. bidang. Elektron yang dipercepat hingga energi tinggi dapat menimbulkan bahaya bagi elemen ruang vakum, sehingga kerapatan plasma dipilih sedemikian tinggi sehingga tidak ada elektron yang dipercepat. Di sisi lain, pada kepadatan yang cukup tinggi, mode pengurungan plasma kembali menjadi tidak stabil karena radiasi dan proses atom pada batas plasma, yang menyebabkan penyempitan saluran arus dan berkembangnya ketidakstabilan heliks plasma. Atas. batas kepadatan dicirikan oleh parameter tak berdimensi My-crayfish M=nR/B j dan hugella H=nqR/B j (di sini rata-rata pada penampang adalah kerapatan elektron N diukur dalam satuan 10 20 partikel/m 3). Untuk pengurungan plasma yang stabil, diperlukan angka-angka M Dan H tidak melebihi batas kritis tertentu nilai-nilai.

Ketika plasma memanas dan tekanannya meningkat, batas lain muncul, yang mencirikan nilai stabil maksimum dari tekanan plasma, p = n(T e +T i), Di mana T e, T i-suhu elektronik dan ion. Batasan ini dikenakan pada nilai b sama dengan rasio lih. tekanan plasma terhadap tekanan magnetik. bidang; ekspresi yang disederhanakan untuk nilai pembatas b diberikan oleh relasi Troyon b c =gI p /aB j, dimana G-faktor numerik sama dengan sekitar 3. 10 -2.

Isolasi termal. Kemungkinan memanaskan plasma hingga suhu yang sangat tinggi disebabkan oleh medan magnet yang kuat. bidang lintasan pengisian partikel tampak seperti spiral yang dililitkan pada garis magnet. bidang. Berkat ini, elektron dan ion tertahan di dalam plasma untuk waktu yang lama. Dan hanya karena benturan dan fluktuasi listrik kecil. dan mag. bidang, energi partikel-partikel ini dapat ditransfer ke dinding dalam bentuk aliran panas. Mekanisme yang sama menentukan besarnya fluks difusi. Efisiensi magnetik isolasi termal plasma ditandai dengan energi. seumur hidup t E = W/P, Di mana W-kandungan energi total plasma, a P- daya pemanas plasma yang diperlukan untuk mempertahankannya dalam keadaan diam. Nilai t E juga dapat dianggap sebagai karakteristik waktu pendinginan plasma jika daya pemanas tiba-tiba dimatikan. Dalam plasma yang tenang, aliran partikel dan panas ke dinding ruangan tercipta karena tumbukan berpasangan elektron dan ion. Aliran ini dihitung secara teoritis dengan mempertimbangkan lintasan muatan nyata. partikel per mag. bidang T. Teori proses difusi yang sesuai disebut. neoklasik (lihat Proses migrasi). Dalam T. plasma nyata selalu terdapat fluktuasi kecil dalam medan dan fluks partikel, oleh karena itu tingkat panas dan fluks partikel yang sebenarnya biasanya secara signifikan melebihi prediksi neoklasik. teori.

Eksperimen dilakukan pada banyak T. decomp. bentuk dan ukuran, memungkinkan untuk merangkum hasil studi mekanisme transfer dalam bentuk studi empiris yang sesuai. ketergantungan. Secara khusus, ditemukan ketergantungan energi. seumur hidup t E dari utama parameter plasma untuk dekomposisi. tahan mod. Ketergantungan ini disebut s k e l i n g a m i; mereka berhasil digunakan untuk memprediksi parameter plasma pada instalasi yang baru ditugaskan.

Pengorganisasian mandiri plasma. Dalam plasma T. selalu terdapat nonlinier lemah, yang mempengaruhi profil distribusi suhu, kepadatan partikel, dan kepadatan arus sepanjang radius, seolah-olah mereka mengendalikannya. Khususnya ke pusat. area tali plasma sangat sering terdapat apa yang disebut. osilasi gigi gergaji yang mencerminkan proses eksaserbasi bertahap yang berulang secara berkala dan kemudian profil suhu menjadi datar secara tajam. Osilasi berbentuk ramp mencegah kontraksi arus ke magnet. sumbu torus (lihat Kontraksi pelepasan gas). Selain itu, di T. dari waktu ke waktu, mode heliks tereksitasi (yang disebut mode t i r i n g), yang diamati di luar kabel dalam bentuk gelombang magnet frekuensi rendah. keraguan. Mode melelahkan berkontribusi pada pembentukan distribusi kerapatan arus yang lebih stabil sepanjang radius. Jika plasma tidak ditangani dengan cukup hati-hati, pola robekan dapat menjadi sangat kuat sehingga gangguan magnetik yang ditimbulkannya juga dapat terjadi medan menghancurkan magnet. permukaan di seluruh volume kabel plasma, bersifat magnetis. konfigurasinya hancur, energi plasma dilepaskan ke dinding dan arus dalam plasma berhenti karena pendinginannya yang kuat (lihat. Ketidakstabilan robek).

Selain osilasi volumetrik ini, terdapat mode osilasi yang terlokalisasi pada batas kolom plasma. Mode-mode ini sangat sensitif terhadap keadaan plasma di bagian paling pinggiran; perilakunya diperumit oleh proses atom. Ekst. dan batin mode getaran dapat sangat mempengaruhi proses perpindahan panas dan partikel; mode ini mengarah pada kemungkinan transisi plasma dari satu mode magnetik. isolasi termal ke yang lain dan kembali. Jika dalam plasma T distribusi kecepatan partikel sangat berbeda dengan , maka ada kemungkinan berkembangnya kinetik. ketidakstabilan. Misalnya dengan lahirnya sejumlah besar elektron yang melarikan diri, yang disebut ketidakstabilan kipas, yang menyebabkan transformasi energi elektron longitudinal menjadi energi transversal. Kinetis. ketidakstabilan juga berkembang dengan adanya ion berenergi tinggi yang muncul ketika saling melengkapi. memanaskan plasma.

Pemanasan plasma. Plasma T. apa pun secara otomatis memanas karena panas Joule dari arus yang mengalir melaluinya. Pelepasan energi Joule cukup untuk memperoleh suhu beberapa derajat. juta derajat Untuk keperluan fusi termonuklir terkendali, diperlukan suhu >10 8 K, oleh karena itu semua T. besar dilengkapi dengan sistem yang kuat pemanasan plasma. Untuk tujuan ini, magnet listrik digunakan. gelombang terurai berkisar, atau mengarahkan partikel cepat ke dalam plasma. Untuk pemanasan plasma frekuensi tinggi, akan lebih mudah untuk menggunakan resonansi yang sesuai dengan resonansi internal. berombang-ambing proses dalam plasma. Misalnya, akan lebih mudah untuk memanaskan komponen ion dalam rentang harmonik frekuensi siklotron atau basa. ion plasma, atau ion aditif yang dipilih secara khusus. Elektron dipanaskan oleh resonansi elektron siklotron.

Saat memanaskan ion dengan partikel cepat, berkas atom netral yang kuat biasanya digunakan. Sinar seperti itu tidak berinteraksi dengan magnet. medan dan menembus jauh ke dalam plasma, di mana mereka terionisasi dan ditangkap oleh magnet. bidang T.

Dengan bantuan metode pemanasan tambahan, suhu plasma T dapat dinaikkan menjadi >3·10 8 K, yang cukup untuk terjadinya reaksi termonuklir yang kuat. Dalam pengembangan reaktor T. di masa depan, pemanasan plasma akan dilakukan oleh partikel alfa berenergi tinggi yang timbul dari reaksi fusi inti deuterium dan tritium.

Tokamak stasioner. Biasanya, arus mengalir dalam plasma hanya jika terdapat arus listrik eddy. medan yang diciptakan dengan meningkatkan medan magnet. aliran pada induktor. Mekanisme induktif untuk mempertahankan arus terbatas dalam waktu, sehingga mode pengurungan plasma yang sesuai adalah berdenyut. Namun, mode berdenyut bukan satu-satunya yang mungkin; pemanasan plasma juga dapat digunakan untuk mempertahankan arus jika, bersama dengan energi, pulsa yang berbeda untuk berbagai komponen plasma juga ditransfer ke plasma. Pemeliharaan arus non-induktif difasilitasi karena pembangkitan arus oleh plasma itu sendiri selama ekspansi difusi ke arah dinding (efek bootstrap). Efek bootstrap telah diprediksi oleh para ilmuwan neoklasik. teori dan kemudian dikonfirmasi secara eksperimental. Eksperimen menunjukkan bahwa T. plasma dapat dibuat diam, dan Ch. upaya untuk secara praktis pengembangan mode stasioner ditujukan untuk meningkatkan efisiensi pemeliharaan saat ini.

Pengalih, kontrol pengotor. Untuk tujuan fusi termonuklir terkendali, diperlukan plasma yang sangat murni berdasarkan isotop hidrogen. Untuk membatasi pencampuran ion lain dalam plasma, pada awal T. plasma dibatasi pada apa yang disebut. aku m i t e r o m (Gbr. 2, A), yaitu diafragma yang mencegah plasma bersentuhan dengan permukaan besar ruangan. Secara modern T. konfigurasi pengalih yang jauh lebih kompleks digunakan (Gbr. 2, B), dibuat oleh kumparan magnet poloidal. bidang. Kumparan ini diperlukan bahkan untuk plasma dengan penampang bulat: dengan bantuannya, komponen magnetik vertikal dibuat. bidang, tepi saat berinteraksi dengan yang utama. Arus plasma tidak memungkinkan kumparan plasma terlempar ke dinding dalam arah radius yang besar. Pada konfigurasi divertor, putaran magnet poloidal. bidang-bidang tersebut terletak sedemikian rupa sehingga penampang plasma memanjang dalam arah vertikal. Pada saat yang sama, bersifat magnetis tertutup permukaan dipertahankan hanya di dalam; di luar, garis gaya masuk ke dalam ruang pengalih, di mana aliran plasma yang mengalir dari saluran utama dinetralkan. volume. Di ruang divertor, dimungkinkan untuk melunakkan beban dari plasma pada pelat divertor karena penambahan. pendinginan plasma selama interaksi atom.

Beras. 2. Penampang plasma dengan penampang melingkar ( A) dan memanjang secara vertikal membentuk konfigurasi pengalih ( 6): 1-plasma; 2- pembatas; 3 - dinding ruang; 4 - pemisah; ruang 5-divertor; 6 - pelat pengalih.

Reaktor Tokamak. Bab. Tujuan penelitian instalasi T. adalah untuk menguasai konsep kemagnetan. Penahanan Plasma untuk Makhluk reaktor fusi. Di T. dimungkinkan untuk membuat plasma bersuhu tinggi yang stabil dengan suhu dan kepadatan yang cukup untuk reaktor termonuklir; undang-undang telah ditetapkan untuk isolasi termal plasma; metode menjaga arus dan mengendalikan tingkat pengotor dikuasai. Pengerjaan T. berpindah dari fase fisik murni. penelitian pada tahap membuat eksperimen. .

menyala.: Artsimovich L.A., Dikelola, edisi ke-2, M., 1963; Lukyanov S. Yu., Plasma panas dan fusi nuklir terkendali, M., 1975; Kadomtsev B.V., Tokamak plasma sistem fisik yang kompleks, L., 1992. B.B.Kadomtsev.

Tokamak (ruang toroidal dengan kumparan magnet) adalah instalasi toroidal untuk membatasi plasma secara magnetis guna mencapai kondisi yang diperlukan agar fusi termonuklir terkendali dapat terjadi. Plasma dalam tokamak tidak ditahan oleh dinding ruangan, yang hanya mampu menahan suhu sampai batas tertentu, tetapi oleh medan magnet yang dibuat khusus. Dibandingkan dengan instalasi lain yang menggunakan medan magnet untuk membatasi plasma, fitur tokamak adalah penggunaan arus listrik yang mengalir melalui plasma untuk menciptakan medan poloidal yang diperlukan untuk mengompresi, memanaskan, dan menjaga keseimbangan plasma. Hal ini, khususnya, berbeda dengan stellarator, yang merupakan salah satu skema pengurungan alternatif di mana medan toroidal dan poloidal dibuat menggunakan kumparan magnet. Namun karena filamen plasma adalah contoh keseimbangan yang tidak stabil, proyek tokamak belum dilaksanakan dan sedang dalam tahap eksperimen yang sangat mahal untuk mempersulit pemasangan.

Perlu juga dicatat bahwa, tidak seperti reaktor fisil (yang masing-masing pada awalnya dirancang dan dikembangkan secara terpisah di negaranya masing-masing), tokamak saat ini sedang dikembangkan bersama dalam kerangka proyek ilmiah internasional ITER.

Medan magnet dan fluks Tokamak.

Cerita

Prangko Uni Soviet, 1987.

Proposal untuk menggunakan fusi termonuklir terkendali untuk keperluan industri dan skema khusus menggunakan isolasi termal plasma suhu tinggi oleh medan listrik pertama kali dirumuskan oleh fisikawan Soviet O. A. Lavrentiev dalam sebuah karyanya pada pertengahan 1950-an. Karya ini menjadi katalis bagi penelitian Soviet tentang masalah fusi termonuklir terkendali. AD Sakharov dan I.E. Tamm pada tahun 1951 mengusulkan modifikasi skema, mengusulkan landasan teori untuk reaktor termonuklir, di mana plasma akan berbentuk torus dan ditampung oleh medan magnet.

Istilah "tokamak" kemudian diciptakan oleh Igor Nikolaevich Golovin, seorang mahasiswa Akademisi Kurchatov. Awalnya terdengar seperti "tokamag" - singkatan dari kata "toroidal magnetic chamber", tetapi N.A. Yavlinsky, penulis sistem toroidal pertama, mengusulkan untuk mengganti "-mag" dengan "-mac" untuk eufoni. Belakangan nama ini dipinjam oleh banyak bahasa.

Tokamak pertama dibuat pada tahun 1955, dan untuk waktu yang lama tokamak hanya ada di Uni Soviet. Baru setelah tahun 1968, ketika tokamak T-3 dibangun di Institut Energi Atom. IV Kurchatov, di bawah kepemimpinan Akademisi L.A. Artsimovich, suhu plasma 10 juta derajat tercapai, dan para ilmuwan Inggris dengan peralatan mereka mengkonfirmasi fakta ini, yang pada awalnya mereka menolak untuk percaya, ledakan tokamak yang nyata dimulai di dunia. Sejak 1973, program penelitian fisika plasma pada tokamaks dipimpin oleh Boris Borisovich Kadomtsev.

Saat ini, tokamak dianggap sebagai perangkat paling menjanjikan untuk menerapkan fusi termonuklir terkendali.

Perangkat

Tokamak adalah ruang vakum toroidal tempat kumparan dililitkan untuk menciptakan medan magnet toroidal. Udara pertama-tama dipompa keluar dari ruang vakum dan kemudian diisi dengan campuran deuterium dan tritium. Kemudian, dengan menggunakan induktor, medan listrik pusaran dibuat di dalam ruangan. Induktor merupakan belitan primer suatu trafo besar, dimana ruang tokamak merupakan belitan sekunder. Medan listrik menyebabkan arus mengalir dan menyalakan ruang plasma.

Arus yang mengalir melalui plasma melakukan dua tugas:

memanaskan plasma dengan cara yang sama seperti konduktor lainnya (pemanasan ohmik);

menciptakan medan magnet di sekelilingnya. Medan magnet ini disebut poloidal (yaitu diarahkan sepanjang garis yang melalui kutub sistem koordinat bola).

Medan magnet memampatkan arus yang mengalir melalui plasma. Hasilnya, suatu konfigurasi terbentuk di mana garis medan magnet heliks “memutar” kabel plasma. Dalam hal ini, langkah rotasi ke arah toroidal tidak bertepatan dengan langkah ke arah poloidal. Garis-garis magnet ternyata tidak tertutup, berputar mengelilingi torus berkali-kali, membentuk apa yang disebut “permukaan magnet” berbentuk toroidal.

Kehadiran bidang poloidal diperlukan untuk pengurungan plasma yang stabil dalam sistem seperti itu. Karena dihasilkan dengan meningkatkan arus dalam induktor, dan tidak dapat dibatasi, waktu keberadaan plasma yang stabil dalam tokamak klasik terbatas. Untuk mengatasi keterbatasan ini, metode tambahan untuk menjaga arus telah dikembangkan. Untuk tujuan ini, injeksi atom deuterium atau tritium netral yang dipercepat atau radiasi gelombang mikro ke dalam plasma dapat digunakan.

Selain kumparan toroidal, kumparan medan poloidal tambahan diperlukan untuk mengontrol kabel plasma. Itu adalah putaran melingkar di sekitar sumbu vertikal ruang tokamak.

Pemanasan saja akibat aliran arus tidak cukup untuk memanaskan plasma ke suhu yang diperlukan untuk reaksi termonuklir. Untuk pemanasan tambahan, radiasi gelombang mikro digunakan pada apa yang disebut frekuensi resonansi (misalnya, bertepatan dengan frekuensi siklotron elektron atau ion) atau injeksi atom netral cepat.

Tokamak dan ciri-cirinya

Secara total, sekitar 300 tokamak dibangun di dunia. Yang terbesar tercantum di bawah ini.

Uni Soviet dan Rusia

T-3 adalah perangkat fungsional pertama.

T-4 - versi T-3 yang diperbesar

T-7 adalah instalasi unik yang, untuk pertama kalinya di dunia, menerapkan sistem magnet yang relatif besar dengan solenoid superkonduktor berdasarkan timah niobate yang didinginkan oleh helium cair. Tugas utama T-7 telah selesai: prospek generasi berikutnya dari solenoida superkonduktor untuk tenaga termonuklir telah disiapkan.

T-10 dan PLT merupakan langkah selanjutnya dalam penelitian termonuklir dunia, ukurannya hampir sama, kekuatannya sama, dengan faktor pengekangan yang sama. Dan hasil yang diperoleh sama: di kedua reaktor suhu fusi termonuklir tercapai, dan jeda menurut kriteria Lawson adalah 200 kali lipat.

T-15 adalah reaktor masa kini dengan solenoid superkonduktor yang memberikan medan induksi sebesar 3,6 Tesla.

Cina

TIMUR - terletak di Kota Hefei, Provinsi Anhui. Kriteria Lawson untuk tingkat penyalaan terlampaui di tokamak, koefisien keluaran energi adalah 1,25

7 miliar tenge dari anggaran negara diinvestasikan dalam konstruksi, dan 6 tahun penghentian paksa untuk mencari sumber pembiayaan. Proyek tokamak ilmu material Kazakh berada di ambang penutupan. Namun, situasinya telah berubah secara radikal berkat arah baru kerja sama internasional. Jurnalis Grigory Bedenko mengunjungi Kurchatov dan menyiapkan laporan khusus untuk Infromburo.kz tentang prospek penelitian di bidang fusi termonuklir terkendali.

Sedikit sejarah

Pada pertengahan abad ke-20, negara-negara paling maju di dunia dengan cepat menguasai energi atom dan belajar menggunakannya baik dalam program senjata militer maupun untuk menghasilkan energi panas dan listrik dalam jumlah besar untuk tujuan damai. Namun, proses peluruhan inti atom yang terkendali ternyata sangat tidak aman bagi lingkungan. Kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir dan masalah besar dalam pembuangan limbah tingkat tinggi telah menghilangkan prospek energi jenis ini. Kemudian, pada pertengahan abad tersebut, para ilmuwan berhipotesis bahwa fusi termonuklir terkendali bisa menjadi alternatif. Para ahli mengusulkan untuk mengulangi, dalam kondisi terestrial, proses yang terjadi di kedalaman bintang, dan belajar tidak hanya mengendalikannya, tetapi juga memperoleh energi dalam jumlah yang diperlukan untuk keberadaan peradaban. Seperti diketahui, fusi termonuklir didasarkan pada prinsip fusi inti hidrogen ringan menjadi inti hidrogen yang lebih berat dengan pembentukan helium. Dalam hal ini, lebih banyak energi yang dilepaskan dibandingkan dengan proses sebaliknya, ketika inti unsur berat terbagi menjadi inti yang lebih ringan dengan pelepasan energi yang sangat besar dan pembentukan isotop berbagai unsur dalam tabel periodik. Tidak ada efek berbahaya atau limbah produksi berbahaya di reaktor termonuklir.

Diagram reaktor termonuklir eksperimental internasional ITER

Sangat mengherankan bahwa proses fusi termonuklir itu sendiri cukup mudah untuk diciptakan kembali untuk program senjata, namun pengembangan proyek energi damai ternyata merupakan tugas yang hampir mustahil. Hal utama untuk bom hidrogen sebenarnya adalah memulai proses fusi, yang terjadi dalam nanodetik. Namun reaktor termonuklir bertenaga memerlukan kondisi khusus. Untuk memperoleh energi, plasma suhu tinggi perlu dijaga dalam keadaan terkendali untuk jangka waktu tertentu - plasma dipanaskan dari 10 hingga 30 juta derajat Celcius. Dengan membatasi plasma semacam itu, kondisi fisik tercipta untuk fusi inti deuterium dan tritium ringan menjadi inti berat. Selain itu, lebih banyak energi yang harus dilepaskan daripada yang dihabiskan untuk memanaskan dan mengurung plasma. Dipercaya bahwa satu pulsa dengan fusi termonuklir terkontrol dengan koefisien pelepasan energi positif harus bertahan setidaknya 500 detik. Tetapi untuk waktu dan suhu seperti itu, tidak ada satu pun bahan struktural reaktor yang menjanjikan yang dapat menahannya. Itu akan menguap begitu saja. Dan para ilmuwan di seluruh dunia telah berjuang dengan masalah ilmu material selama lebih dari setengah abad dan hampir tidak membuahkan hasil.

Plasma diperoleh di tokamak ilmu material Kazakhstan / Bahan yang disediakan oleh Institut Energi Atom Pusat Nuklir Nasional Republik Kazakhstan

Materi disediakan oleh Lembaga Tenaga Atom NNC RK

Video gerak sangat lambat ini menunjukkan pembentukan plasma di tokamak Kazakstan (bahan disediakan oleh Institut Energi Atom Pusat Nuklir Nasional Republik Kazakhstan)

Pembentukan plasma di CFT

Apa itu tokamak dan stellarator?

Singkatannya adalah bahasa Rusia, karena instalasi pertama dikembangkan di Uni Soviet. Tokamak adalah ruang toroidal dengan kumparan magnet. Torus adalah sosok geometris tiga dimensi (dengan kata sederhana berbentuk seperti donat), dan toroid adalah kawat tipis yang dililitkan pada bingkai berbentuk torus. Dengan demikian, plasma suhu tinggi dalam instalasi dibentuk dan dipertahankan dalam bentuk torus. Dalam hal ini, prinsip utama tokamak adalah plasma tidak berinteraksi dengan dinding ruangan, melainkan menggantung di ruang seolah-olah ditahan oleh medan magnet yang sangat kuat. Skema isolasi termal plasma dan metode penggunaan instalasi tersebut untuk keperluan industri pertama kali diusulkan oleh fisikawan Soviet Oleg Aleksandrovich Lavrentyev. Tokamak pertama dibangun pada tahun 1954 dan untuk waktu yang lama hanya ada di Uni Soviet. Hingga saat ini, sekitar dua ratus perangkat serupa telah dibuat di dunia. Saat ini, terdapat ruang toroidal yang beroperasi untuk mempelajari fusi termonuklir terkendali di Rusia, Amerika Serikat, Jepang, Cina, dan Uni Eropa. Proyek internasional terbesar di bidang ini adalah ITER (lebih lanjut tentang itu nanti). Penggagas pembangunan tokamak ilmu material di Kazakhstan adalah kepala Institut Kurchatov Rusia, Akademisi Evgeny Pavlovich Velikhov. Sejak 1975, ia memimpin program reaktor fusi yang dikendalikan Soviet. Ide untuk membangun fasilitas di bekas lokasi uji coba nuklir Semipalatinsk muncul pada tahun 1998, ketika Velikhov bertemu dengan Presiden Republik Kazakhstan Nursultan Nazarbayev.

Skema pengurungan plasma di stellarator / Bahan disediakan oleh Lembaga Tenaga Atom NNC RK

Stellarator adalah jenis reaktor alternatif selain tokamak untuk melakukan fusi termonuklir terkendali. Diciptakan oleh astrofisikawan Amerika Lyman Spitzer pada tahun 1950. Nama tersebut berasal dari kata Latin stella (bintang), yang menunjukkan kesamaan proses di dalam bintang dan instalasi buatan manusia. Perbedaan utamanya adalah bahwa medan magnet untuk mengisolasi plasma dari dinding bagian dalam ruangan seluruhnya diciptakan oleh kumparan eksternal, yang memungkinkannya digunakan dalam mode berkelanjutan. Plasma di stellarator terbentuk dalam bentuk “donat kusut” dan seolah-olah berputar. Saat ini, terdapat bintang penelitian di Rusia, Ukraina, Jerman, dan Jepang. Terlebih lagi, stelarator terbesar di dunia, Wendelstein 7-X (W7-X), baru-baru ini diluncurkan di Jerman.

Tokamak ilmu material Kazakstan / Grigory Bedenko

Ini semua adalah fasilitas penelitian,” kata ketua kelompok ilmiah proyek KTM. Stellarator berbeda dalam konfigurasi medan magnetnya. Dalam tokamak, belitan toroidal dan belitan luar poloidal digunakan untuk menampung plasma. Namun di stellarator justru sebaliknya - terdapat luka berliku dalam bentuk spiral, yang menjalankan fungsi toroidal dan poloidal. Tokamak awalnya merupakan instalasi berdenyut, dan stellarator adalah instalasi yang lebih stasioner, yaitu keuntungan dari belitan bengkok memungkinkan Anda menahan plasma tanpa batas waktu. Stellarator dikembangkan bersamaan dengan tokamak, dan pada suatu waktu tokamak memimpin dalam parameter plasma. “Proses” tokamak telah dimulai di seluruh dunia. Namun demikian, bintang-bintang terus berkembang. Mereka tersedia di Jepang; baru-baru ini dibuat di Jerman - Wendelstein 7-X (W7-X) dioperasikan. Ada seorang bintang di AS. Selain itu, ada sejumlah besar semua jenis instalasi penelitian dengan kurungan plasma sebagian magnetik - ini adalah berbagai jebakan. Ada juga fusi termonuklir inersia, ketika target kecil dipanaskan oleh radiasi laser. Ini adalah ledakan termonuklir yang kecil.

Unit dan rakitan bagian atas instalasi / Grigory Bedenko

Namun tokamak dianggap yang paling menjanjikan sebagai reaktor termonuklir industri saat ini.

Gedung teknologi tempat KTM berada / Grigory Bedenko

Tokamak di Kazakstan

Instalasi Kazakhstan dibangun pada tahun 2010 di lokasi yang ditunjuk khusus di zona administratif bekas lokasi uji coba Semipalatinsk - kota Kurchatov. Kompleks ini terdiri dari beberapa bangunan teknologi yang menampung komponen dan rakitan tokamak, serta bengkel, ruang pemrosesan data, akomodasi personel, dll. Proyek ini dikembangkan di Rusia atas dasar Pusat Penelitian Termonuklir Nasional (Institut Kurchatov). Ruang vakum, kumparan magnet, dll. dirancang dan dirakit di Lembaga Penelitian Peralatan Elektrofisika yang dinamai demikian. D.V. Evremov (Lembaga Penelitian EFA), otomatisasi - di Institut Politeknik Tomsk. Peserta proyek dari pihak Rusia juga termasuk Institut Arus Seluruh Rusia (NII TVCH), TRINITI (Institut Penelitian Inovatif dan Termonuklir Troitsk). Perancang umum dari Kazakhstan adalah Promenergoproekt LLP, dan kompleks UPC Kazelektromontazh dipasang langsung. Setelah seluruh pekerjaan selesai, CTM diluncurkan dan memproduksi plasma pertama. Kemudian pendanaan untuk proyek tersebut dihentikan, dan tokamak berubah menjadi objek wisata berteknologi tinggi yang mahal selama enam tahun.

Pemasangan peralatan retrofit untuk KTM / Grigory Bedenko

Kehidupan kedua KTM

Proyek ini dimulai ulang pada malam EXPO 2017 di Astana. Ini sangat sesuai dengan konsep Pameran Dunia yang didedikasikan untuk energi masa depan. Pada tanggal 9 Juni, instalasi dimulai kembali di hadapan sejumlah besar jurnalis. Pengembang Rusia hadir pada peluncuran tersebut. Seperti yang disampaikan pada upacara tersebut, tujuan peluncuran fisik tahap pertama adalah untuk melakukan debug dan menguji sistem standar KTM. Selain itu, menurut kepala Pusat Nuklir Nasional Republik Kazakhstan Erlan Batyrbekov, berdasarkan tokamak Kazakh, para ilmuwan dari berbagai negara akan dapat melakukan berbagai penelitian, termasuk modernisasi reaktor industri yang ada.

Konverter AC untuk KTM memiliki tampilan futuristik / Grigory Bedenko

Kemudian situasinya berkembang ke arah yang lebih menguntungkan. Di Astana, selama Konferensi Tingkat Menteri dan Forum Energi Internasional VIII, Kazakhstan menerima undangan resmi untuk menjadi anggota asosiasi Organisasi Internasional ITER. Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional sedang dibuat oleh sekelompok negara untuk menunjukkan kemungkinan penggunaan energi termonuklir secara komersial, serta memecahkan masalah fisik dan teknologi di bidang ini. Intinya, ITER adalah tokamak yang besar dan sangat kompleks. Negara-negara Uni Eropa, India, Cina, Korea Selatan, Rusia, Amerika Serikat, Jepang dan sekarang negara kita ikut serta dalam proyek ini. Dari Kazakhstan, penelitian mengenai topik tersebut akan dilakukan oleh para ahli dari Pusat Nuklir Nasional, Lembaga Penelitian Fisika Eksperimental dan Teoritis Universitas Nasional Kazakh. Al-Farabi, Institut Fisika Nuklir, Pabrik Metalurgi Ulba, KazNIPIEnergoprom dan Kazelektromash. ITER akan dibuat di Prancis, 60 kilometer dari Marseille. Saat ini, biaya proyek tersebut diperkirakan mencapai 19 miliar euro. Peluncuran instalasi dijadwalkan pada tahun 2025.

Baurzhan Chektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, kepala kelompok ilmiah proyek CTM

Pada tanggal 10 Juni, sebuah memorandum disimpulkan tentang penelitian bersama antara ITER dan KTM. Dalam kerangka perjanjian ini, sebuah proyek interaksi dengan Organisasi Internasional ITER sedang dipersiapkan. Mereka tertarik dengan instalasi kami. Proyek ITER sendiri juga tidak sederhana, ada kendala material. Sebagai bagian dari proyek ini, kami akan mempelajari tungsten dan berilium. Komponen dan bagian tertentu dari ITER akan dibuat dari bahan ini. Kami akan menjalankannya. Seluruh dinding pertama reaktor ITER akan dilapisi ubin tungsten dan berilium. Ruang vakum itu sendiri terdiri dari pengalih tempat aliran plasma mengalir; ada tempat paling intens - 20 MW per meter persegi. Akan ada tungsten. Sisa dinding pertama akan dilapisi berilium.

KTM adalah sistem yang sangat kompleks dari sudut pandang teknologi / Grigory Bedenko

- Kenapa masukITERjadi tertarik dengan tokamak kami?

Selain ilmu material, tugas instalasi kami adalah mempelajari fisika plasma. CTM unik dalam hal rasio aspek. Ada parameter seperti itu, salah satu yang utama untuk tokamaks - rasio radius besar dari sumbu ke pusat plasma ke yang kecil, yaitu dari sumbu plasma ke tepinya. Bagi kami parameter ini sama dengan dua. Dalam ITER yang sama - 3.1. Semua tokamak yang lebih dari 3 adalah klasik. Ada arah tokamak modern - ini adalah tokamak bulat, yang rasio aspeknya kurang dari 2 - satu setengah dan bahkan lebih rendah - ini adalah ruang keren dan hampir bulat. Tokamak kami seolah-olah terletak pada posisi garis batas antara tokamak klasik dan tokamak bulat. Belum ada instalasi seperti itu, dan di sini, menurut saya, penelitian menarik akan dilakukan tentang perilaku plasma. Instalasi semacam itu dianggap sebagai reaktor masa depan hibrida, atau sumber neutron volumetrik.

Bagian bawah ruang vakum KTM / Foto oleh Grigory Bedenko

- Betapa menjanjikannya kerjasama denganITER?Apakah ini akan menyelamatkan proyek?

Pada tahun 2010 telah dilakukan uji coba peluncuran dengan menggunakan peralatan dan kesiapan yang tersedia saat itu. Tugasnya adalah menunjukkan bahwa instalasi “bernafas” dan mampu bekerja. Pada tahun kesepuluh yang sama, kami kehabisan dana. Lalu ada enam tahun tidak aktif. Selama ini kami berebut anggaran. Sebelumnya disetujui pada tahun 2006, dan harus direvisi sepenuhnya. Sekitar 80% peralatan kami berasal dari luar negeri, dan dalam konteks peristiwa-peristiwa penting dalam sistem keuangan global, fasilitas tersebut menjadi jauh lebih mahal dari rencana semula. Pada tahun 2016, setelah penyesuaian anggaran proyek, tambahan dana dialokasikan. Pemasangannya telah menghabiskan anggaran Kazakh sebesar 7 miliar tenge. Ini termasuk pekerjaan konstruksi dan instalasi, pembuatan ruang vakum dan sistem elektromagnetik.

Peneliti harus menjadi ahli dalam segala bidang / Grigory Bedenko

- Apa yang terjadi sekarang? Ada uji coba pada bulan Juni.

Kini pembuatan KTM sudah mencapai tahap akhir. Saat ini, instalasi dan commissioning sistem utama dan tambahan sedang berlangsung. Kami telah menandatangani perjanjian dengan kontraktor umum yang memenangkan tender. Ada dua perusahaan, satu bergerak dalam pekerjaan konstruksi dan instalasi, yang kedua - pekerjaan commissioning. "KazIntelgroup" bergerak dalam pekerjaan konstruksi dan instalasi, "Penjamin Mutu Abad XXI" bergerak dalam bidang commissioning. Pembangunan instalasi tersebut dijadwalkan rampung tahun ini. Kemudian, sebelum akhir tahun akan dilakukan peluncuran fisik. Pada tahun 2018, instalasi akan dioperasikan dan eksperimen skala penuh akan dimulai. Dalam waktu 3 tahun, kami berencana untuk mencapai parameter desain nominal yang disertakan dalam instalasi, dan kemudian melakukan penelitian lebih lanjut terhadap materialnya.

Di beberapa tempat KTM menyerupai kapal alien / Foto oleh Grigory Bedenko

- Bagaimana kabar Anda dalam pemilihan karyawan?

Sebagian besar spesialis muda adalah lulusan universitas Kazakstan, dari Ust-Kamenogorsk, Pavlodar dan Semey. Beberapa lulus dari universitas Rusia, misalnya Universitas Politeknik Tomsk. Masalah kepegawaian sangat akut. Rencananya, seharusnya ada sekitar 120 orang, pekerja 40 orang, tahun depan kalau kompleks sudah dioperasikan baru akan ada rekrutmen. Namun menemukan spesialis di bidang ini adalah tugas tersendiri dan sulit.

Dmitry Olkhovik, kepala departemen sistem otomasi eksperimen KTM

Keunikan CFT adalah mempunyai alat pengalih putar, yaitu semua bahan yang diteliti dapat diputar di dalam ruangan. Selain itu, ada juga perangkat transport gateway. Hal ini memungkinkan untuk mengisi ulang bahan yang diteliti tanpa mengurangi tekanan ruang vakum. Pada instalasi lain terdapat kesulitan tertentu: jika ruangan telah mengalami penurunan tekanan, diperlukan setidaknya satu atau dua minggu untuk mempersiapkannya kembali untuk peluncuran baru. Kami dapat dengan mudah mengganti sampel uji dalam satu kampanye, tanpa membuang waktu untuk depresurisasi. Ini adalah keuntungan ekonomi dari instalasi ini.

Beberapa jenis perlengkapan baru masih dalam kemasan aslinya / Grigory Bedenko

- Bagaimana eksperimen akan dilakukan?

Di instalasi tersebut, dua kampanye eksperimental dilakukan setiap tahun. Misalnya, kami melakukan kampanye di musim semi, lalu di musim panas kami menganalisis data yang diperoleh dan merencanakan eksperimen lebih lanjut. Kampanye kedua berlangsung pada musim gugur. Kampanyenya sendiri berlangsung dua hingga tiga bulan. Ada dua masalah utama dalam pembuatan reaktor fusi tenaga. Yang pertama adalah mengembangkan teknologi untuk memproduksi dan menahan plasma, yang kedua adalah mengembangkan bahan yang dapat menangani plasma secara langsung, karena plasma mempunyai suhu tinggi. Aliran energi yang sangat besar terbang dan mempengaruhi materi. Materi tersebut, pada gilirannya, dihancurkan dan disebarkan. Dan masuknya partikel-partikel ini ke dalam plasma mempunyai efek yang sangat negatif. Plasma sangat sensitif terhadap kotoran. Mereka mendinginkan plasma dan akhirnya memadamkannya. Ada juga topik efek neutron pada material struktur. Tokamak kami akan menguji bahan untuk menentukan ketahanan panasnya. Artinya produk ini tidak dapat disemprotkan dan kompatibel dengan plasma. Tungsten dan berilium akan dipelajari sebagai bahan tersebut. Kami akan mengujinya, melihat bagaimana perilakunya dalam kondisi aliran plasma tinggi, sama seperti di ITER.

Arus listrik yang besar digunakan di KTM / Grigory Bedenko

- Pekerjaan apa yang sedang dilakukan untuk retrofit KTM?

Pemasangan sistem teknologi untuk sistem vakum, sistem pendingin. Ini adalah instalasi listrik yang sangat kompleks. Untuk mendapatkan medan magnet, Anda perlu mengambil banyak energi dari jaringan. Ada kompleks tertentu untuk konversi energi. Mulai dari sistem catu daya pulsa, banyak digunakan trafo pembawa, dan digunakan kompleks konverter teristor, yaitu sistem yang agak rumit dalam hal operasi, pengendalian, dan sistem sangat terdistribusi. Artinya, semua pekerjaan ini sekarang sedang dilakukan, pasokan listrik sedang disesuaikan.

Pekerjaannya sangat melelahkan / Grigory Bedenko

Bekerja dengan peralatan KTM baru

Instalasi semacam itu memerlukan listrik dalam jumlah yang sangat besar untuk beroperasi. Akankah KTM mengkonsumsi banyak?

Saat beroperasi dalam mode nominal, asupan listrik dari jaringan akan menjadi sekitar 80-100 MW. Untuk satu percobaan. Ada juga sistem pemanas tambahan standar, yang juga akan memompa energi dari jaringan.

Sistem catu daya koil magnetik / Grigory Bedenko

Diketahui bahwa di Kazakhstan sebagian besar penduduknya menderita radiofobia. Inilah konsekuensi sosio-psikologis dari uji coba nuklir. Seberapa amankah penelitian Anda?

Fusi termonuklir terkendali diyakini merupakan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan. Kecelakaan seperti Chernobyl, Fukushima, dll. secara fisik tidak dapat terjadi di sini. Hal paling serius yang dapat terjadi adalah penurunan tekanan pada ruang vakum tempat plasma disimpan. Dalam hal ini, plasma padam dan beberapa gram bahan bakar termonuklir yang ada di dalam ruangan bocor.

Bagian atas instalasi / Grigory Bedenko

Dan beberapa fakta menarik lainnya tentang ITER, proyek internasional terbesar dalam sejarah penelitian semacam itu, yang sangat diharapkan oleh para ahli kami. Seperti disebutkan di atas, ITER adalah organisasi internasional yang mencakup lebih dari selusin negara: Rusia, Prancis, Jepang, Tiongkok, India, Uni Eropa, Kanada, dan Amerika Serikat. Menariknya, kontribusi masing-masing negara terhadap proyek ini diberikan dalam bentuk produk jadi. Misalnya, Rusia memproduksi beberapa gulungan kriogenik berdasarkan superkonduktor, peralatan listrik, dll.

Bekerja pada pengaturan sistem catu daya pada KTM / Grigory Bedenko

ITER belum menjadi instalasi energi; tidak akan menyediakan energi. Ini adalah demonstrasi teknologi kelayakan produksi plasma dengan keluaran energi. Setelah ITER, ketika teknologi dikembangkan, reaktor demonstrasi akan dibuat yang sudah menyediakan energi. Ini akan terjadi sekitar tahun 40-an dan 50-an abad ke-21. Artinya, 100 tahun setelah dimulainya penelitian tentang topik ini.

Ruang kendali KTM / Grigory Bedenko

Proyek ITER memiliki sekitar 500 detik operasi terus menerus. Reaktor pulsa. Pada prinsipnya, disediakan hingga 1000 detik. - bagaimana kelanjutannya? Ketika semua teknologi telah dipilih, bahan dan desain telah disetujui, DEMO selanjutnya akan dibuat. Telah diputuskan bahwa reaktor ini akan dibangun di Jepang.

Unit KTM / Grigory Bedenko

Rupanya prinsip pengoperasian reaktor termonuklir tenaga adalah sebagai berikut. Elemen pertama, yang akan menyerap energi panas plasma, akan mengandung saluran pertukaran panas di dalamnya. Kemudian semuanya sama seperti di pembangkit listrik konvensional - memanaskan cairan pendingin sirkuit sekunder, memutar turbin, dan menghasilkan energi listrik.

Pemandangan umum aula reaktor KTM / Grigory Bedenko

Peluncuran fisik ITER akan dilakukan pada tahun 2025. Ini akan dioperasikan pada tahun 2028. Berdasarkan hasil pekerjaan, opsi untuk membuat reaktor hibrida sedang dipertimbangkan - di mana neutron dari fusi termonuklir digunakan untuk memecah bahan bakar nuklir.

Untuk mencapai kondisi yang diperlukan untuk terjadinya. Plasma dalam tokamak tidak ditahan oleh dinding ruangan, yang tidak mampu menahan suhu yang diperlukan untuk reaksi termonuklir, tetapi oleh medan magnet gabungan yang dibuat khusus - medan toroidal eksternal dan poloidal dari arus yang mengalir melalui plasma. tali. Dibandingkan instalasi lain yang menggunakan medan magnet untuk membatasi plasma, penggunaan arus listrik menjadi ciri utama tokamak. Arus dalam plasma memastikan pemanasan plasma dan menjaga keseimbangan filamen plasma di ruang vakum. Dalam hal ini, tokamak, khususnya, berbeda dari stellarator, yang merupakan salah satu skema pengurungan alternatif di mana medan toroidal dan poloidal dibuat menggunakan kumparan magnet eksternal.

Reaktor Tokamak saat ini sedang dikembangkan sebagai bagian dari proyek ilmiah internasional ITER.

Cerita

Saat ini, tokamak dianggap sebagai perangkat paling menjanjikan untuk penerapan fusi termonuklir terkendali.

Perangkat

Tokamak adalah ruang vakum toroidal tempat kumparan dililitkan untuk menciptakan medan magnet toroidal. Udara pertama-tama dipompa keluar dari ruang vakum dan kemudian diisi dengan campuran deuterium dan tritium. Kemudian menggunakan induktor medan listrik pusaran tercipta di dalam ruangan. Induktor merupakan belitan primer suatu trafo besar, dimana ruang tokamak merupakan belitan sekunder. Medan listrik menyebabkan arus mengalir dan penyalaan di ruang plasma.

Arus yang mengalir melalui plasma melakukan dua tugas:

memanaskan plasma dengan cara yang sama seperti konduktor lainnya (pemanasan ohmik);
menciptakan medan magnet di sekelilingnya. Medan magnet ini disebut poloid(yaitu, diarahkan sepanjang garis yang melewatinya tiang sistem koordinat bola).

Kehadiran bidang poloidal diperlukan untuk pengurungan plasma yang stabil dalam sistem seperti itu. Karena dihasilkan dengan meningkatkan arus dalam induktor, dan tidak dapat dibatasi, waktu keberadaan plasma yang stabil dalam tokamak klasik masih terbatas pada beberapa detik. Untuk mengatasi keterbatasan ini, metode tambahan untuk menjaga arus telah dikembangkan. Untuk tujuan ini, injeksi atom netral deuterium atau tritium atau radiasi gelombang mikro yang dipercepat ke dalam plasma dapat digunakan.

Selain kumparan toroidal, kumparan tambahan diperlukan untuk mengontrol kabel plasma. kumparan medan poloidal. Itu adalah putaran melingkar di sekitar sumbu vertikal ruang tokamak.

Tokamak dan ciri-cirinya

Secara total, sekitar 300 tokamak dibangun di dunia. Yang terbesar tercantum di bawah ini.

Uni Soviet dan Rusia

Kazakstan

Kazakhstan Materials Research Tokamak (KTM) adalah instalasi termonuklir eksperimental untuk penelitian dan pengujian material dalam rezim beban energi yang mendekati