Ce este un tokamak? Reactorul termonuclear va deschide o nouă eră pentru umanitate. Mișcarea tehnocratică instalația Tokamak

un dispozitiv pentru efectuarea unei reacții de fuziune termonucleară în plasmă fierbinte într-un mod cvasi-staționar, în care plasma este creată într-o cameră toroidală și este stabilizată de un câmp magnetic. Scopul instalației este transformarea energiei intranucleare în căldură și apoi în energie electrică. Cuvântul „tokamak” în sine este o abreviere pentru numele „cameră magnetică toroidală”, dar creatorii instalației au înlocuit „g” la sfârșit cu un „k” pentru a nu evoca asocieri cu ceva magic.

O persoană obține energie atomică (atât într-un reactor, cât și într-o bombă) prin împărțirea nucleelor elementelor grele în altele mai ușoare. Energia per nucleon este maximă pentru fier (așa-numitul „maxim de fier”), și de atunci maxim la mijloc, atunci energia va fi eliberată nu numai în timpul decăderii elementelor grele, ci și în timpul combinării elementelor ușoare. Acest proces se numește fuziune termonucleară și are loc într-o bombă cu hidrogen și un reactor de fuziune. Există multe reacții termonucleare și reacții de fuziune cunoscute. Sursa de energie poate fi cele pentru care există combustibil ieftin și sunt posibile două moduri fundamental diferite de a începe reacția de fuziune.

Prima modalitate este „explozivă”: o parte din energie este cheltuită pentru a aduce o cantitate foarte mică de substanță în starea inițială necesară, are loc o reacție de sinteză, iar energia eliberată este convertită într-o formă convenabilă. De fapt, aceasta este o bombă cu hidrogen, cântărind doar un miligram. O bombă atomică nu poate fi folosită ca sursă de energie inițială; nu este „mică”. Prin urmare, s-a presupus că o tabletă milimetrică de gheață de deuteriu-tritiu (sau o sferă de sticlă cu un amestec comprimat de deuteriu și tritiu) va fi iradiată din toate părțile prin impulsuri laser. Densitatea de energie de pe suprafață trebuie să fie astfel încât stratul superior al tabletei, care s-a transformat în plasmă, să fie încălzit la o temperatură la care presiunea asupra straturilor interioare și încălzirea straturilor interioare ale tabletei în sine devin suficiente pentru reacția de sinteză. În acest caz, pulsul trebuie să fie atât de scurt încât substanța, care s-a transformat în plasmă cu o temperatură de zece milioane de grade într-o nanosecundă, să nu aibă timp să zboare, ci să apese pe interiorul tabletei. Acest interior este comprimat la o densitate de o sută de ori mai mare decât cea a solidelor și încălzit la o sută de milioane de grade.

A doua cale. Substanțele de pornire pot fi încălzite relativ lent - se vor transforma în plasmă, iar apoi energie poate fi introdusă în ea în orice mod, până când sunt îndeplinite condițiile pentru începerea reacției. Pentru ca o reacție termonucleară să aibă loc într-un amestec de deuteriu și tritiu și pentru a obține o ieșire de energie pozitivă (atunci când energia eliberată ca urmare a unei reacții termonucleare este mai mare decât energia cheltuită pentru această reacție), este necesar să se creeze o plasmă. cu o densitate de cel puțin 10 14 particule/cm 3 (10 5 atm.), și se încălzește la aproximativ 10 9 grade, în timp ce plasma devine complet ionizată.

O astfel de încălzire este necesară pentru ca nucleele să se poată apropia unul de celălalt, în ciuda repulsiei coulombiane. Se poate demonstra că pentru a obține energie, această stare trebuie menținută cel puțin o secundă (așa-numitul „criteriu Lawson”). O formulare mai precisă a criteriului Lawson: produsul concentrației și timpul menținerii acestei stări ar trebui să fie de ordinul a 10 15 cm cm 3. Principala problemă este stabilitatea plasmei: într-o secundă va avea timp să se extindă de multe ori, să atingă pereții camerei și să se răcească.

În 2006, comunitatea internațională a început construcția unui reactor demonstrativ. Acest reactor nu va fi o sursă reală de energie, dar este proiectat în așa fel încât după el dacă totul funcționează bine să se poată începe construcția celor „energetice”, adică. reactoare termonucleare destinate includerii în rețeaua electrică. Cele mai mari proiecte fizice (acceleratoare, radiotelescoape, stații spațiale) devin atât de scumpe încât luarea în considerare a două opțiuni se dovedește a fi inaccesibilă chiar și pentru omenire, care și-a unit eforturile, așa că trebuie făcută o alegere.

Începutul lucrărilor privind fuziunea termonucleară controlată ar trebui să dateze din 1950, când I.E. Tamm și A.D. Saharov au ajuns la concluzia că fuziunea termonucleară controlată (CTF) ar putea fi realizată folosind confinarea magnetică a plasmei fierbinți. În etapa inițială, munca în țara noastră a fost efectuată la Institutul Kurchatov sub conducerea lui L.A. Artsimovici. Principalele probleme pot fi împărțite în două grupe: probleme de instabilitate a plasmei și probleme tehnologice (vid pur, rezistență la radiații etc.) Primele tokamak-uri au fost create în 1954-1960, acum s-au construit peste 100 de tokamak-uri în lume. În anii 1960, s-a demonstrat că încălzirea prin trecerea curentului („încălzire ohmică”) singură nu putea aduce o plasmă la temperaturi de fuziune. Cel mai natural mod de a crește conținutul de energie al plasmei părea a fi metoda de injectare externă a particulelor neutre rapide (atomi), dar abia în anii 1970 s-a atins nivelul tehnic necesar și s-au efectuat experimente reale cu ajutorul injectoarelor. În zilele noastre, încălzirea particulelor neutre prin injecție și radiații electromagnetice în intervalul de microunde este considerată cea mai promițătoare. În 1988, Institutul Kurchatov a construit un tokamak T-15 de generație pre-reactor cu înfășurări supraconductoare. Din 1956, când în timpul vizitei lui N.S. Hrușciov în Marea Britanie, I.V. Kurchatov a anunțat implementarea acestor lucrări în URSS. Lucrările în acest domeniu sunt realizate în comun de mai multe țări. În 1988, URSS, SUA, Uniunea Europeană și Japonia au început proiectarea primului reactor experimental tokamak (instalația va fi construită în Franța).

Dimensiunile reactorului proiectat sunt de 30 de metri în diametru și 30 de metri în înălțime. Perioada estimată de construcție a acestei instalații este de opt ani, iar durata de funcționare este de 25 de ani. Volumul de plasmă din instalație este de aproximativ 850 de metri cubi. Curent plasma 15 megaamperi. Puterea termonucleara a instalatiei este de 500 Megawati si se mentine 400 de secunde. În viitor, acest timp este de așteptat să fie crescut la 3000 de secunde, ceea ce va face posibilă efectuarea primelor studii reale ale fizicii fuziunii termonucleare („combustie termonucleară”) în plasmă la reactorul ITER.

Lukyanov S.Yu. Plasmă fierbinte și fuziune nucleară controlată. M., Nauka, 1975
Artsimovici L.A., Sagdeev R.Z. Fizica plasmei pentru fizicieni. M., Atomizdat, 1979
Hegler M., Christiansen M. Introducere în fuziunea controlată. M., Mir, 1980
Killeen J. Fuziune termonucleară controlată. M., Mir, 1980
Boyko V.I. Fuziunea termonucleară controlată și problemele fuziunii termonucleare inerțiale. Revista educațională Soros. 1999, nr.6

TOKAMAK(abreviat de la „camera toroidală cu bobine magnetice”) - un dispozitiv pentru menținerea temperaturilor ridicate folosind un magnet puternic. câmpuri. Ideea lui T. a fost exprimată în 1950 de către academicienii I. E. Tamm și A. D. Saharov; primele experimente Cercetările asupra acestor sisteme au început în 1956.

Principiul dispozitivului este clar din Fig. 1. Plasma este creată într-o cameră de vid toroidală, care servește ca singura tură închisă a înfășurării secundare a transformatorului. La trecerea unui curent care crește în timp în înfășurarea primară a unui transformator 1 în interiorul camerei cu vid 5 se creează o forță electrică longitudinală vortex. camp. Când gazul inițial nu este foarte mare (de obicei se folosesc hidrogen sau izotopii săi), apare puterea sa electrică. defalcare și camera de vid este umplută cu plasmă cu o creștere ulterioară a unui curent longitudinal mare Ip. În modern T mare. curentul din plasmă este de mai multe. milioane de amperi. Acest curent creează propriul său câmp magnetic poloidal (în planul secțiunii transversale a plasmei). camp ÎN q. În plus, se folosește un magnet longitudinal puternic pentru a stabiliza plasma. camp B f, creat folosind special înfăşurări ale magnetului toroidal. câmpuri. Este o combinație de magneți toroidali și poloidali. câmpurile asigură izolarea stabilă a plasmei la temperatură înaltă (vezi. Sisteme toroidale), necesare pentru implementare fuziune termonucleară controlată.

Orez. 1. Diagrama Tokamak: 1 - înfăşurare primară transformatator; 2 - bobine de câmp magnetic toroidal; 3 - căptușeală, cameră interioară cu pereți subțiri pentru gravarereducerea câmpului electric toroidal; 4 - bobinacâmp magnetic poloidal ki; 5 - vacuum kamera; b-miez de fier (miez magnetic).

Limite de operare. Magn. câmpul T ține destul de bine plasma la temperatură înaltă, dar numai în anumite limite de modificare a parametrilor săi. Primele 2 restricții se aplică curentului de plasmă Ip iar ea cf. densitate P, exprimată în unități ale numărului de particule (electroni sau ioni) la 1 m 3. Se pare că pentru o valoare dată a magnetului toroidal. câmp, curentul de plasmă nu poate depăși o anumită valoare limită, altfel cordonul de plasmă începe să se răsucească de-a lungul unei linii elicoidale și în cele din urmă se prăbușește: așa-numitul. instabilitate întrerupere curentă. Pentru a caracteriza curentul de limitare se folosește un coeficient. stoc q de instabilitatea șurubului, determinată de relație q = 5B j a 2 /RI p. Aici A- mic, R- raza mare a cordonului plasmatic, B j - mag toroidal. camp, Ip- curent în plasmă (dimensiunile se măsoară în metri, câmp magnetic - în tesla, curent - în MA). O condiție necesară pentru stabilitatea unei coloane de plasmă este inegalitatea q>], așa-zis. k r i t e r i m K r u-s k a la - Shafranova. Experimentele arată că un mod de menținere stabil stabil este atins numai la valori de .

Există 2 limite pentru densitate - inferioară și superioară. Inferior Limita de densitate este asociată cu formarea așa-numitului. accelerat, sau electroni fugari. La densități mici, frecvența ciocnirilor electronilor cu ionii devine insuficientă pentru a preveni trecerea acestora la modul de accelerare continuă în câmpul electric longitudinal. camp. Electronii accelerați la energii mari pot reprezenta un pericol pentru elementele camerei cu vid, astfel încât densitatea plasmei este aleasă atât de mare încât să nu existe electroni accelerați. Pe de altă parte, la o densitate suficient de mare, modul de confinare a plasmei devine din nou instabil din cauza radiațiilor și a proceselor atomice la limita plasmei, care duc la o îngustare a canalului curent și la dezvoltarea instabilității elicoidale a plasmei. Top. limita de densitate este caracterizată de parametrii adimensionali My-raci M=nR/B j şi hugella H=nqR/B j (aici mediată pe secțiunea transversală este densitatea electronilor n măsurată în unităţi de 10 20 particule/m 3). Pentru o izolare stabilă a plasmei este necesar ca numerele MȘi H nu a depășit anumite critici valorile.

Când plasma se încălzește și presiunea acesteia crește, apare o altă limită, care caracterizează valoarea maximă stabilă a presiunii plasmatice, p = n(T e +T i), Unde T e, T i-temperaturi electronice si ionice. Această limită este impusă valorii lui b egală cu raportul cf. presiunea plasmei la presiunea magnetică. câmpuri; o expresie simplificată pentru valoarea limită b este dată de relația lui Troyon b c =gI p /aB j, unde g-factor numeric egal cu aproximativ 3. 10 -2.

Izolație termică. Posibilitatea de încălzire a plasmei la temperaturi foarte ridicate se datorează faptului că într-un câmp magnetic puternic. câmpul traiectoriei de încărcare particulele arată ca niște spirale înfășurate pe o linie magnetică. câmpuri. Datorită acestui fapt, electronii și ionii sunt reținuți în interiorul plasmei pentru o lungă perioadă de timp. Și numai din cauza coliziunilor și a micilor fluctuații electrice. și mag. câmpuri, energia acestor particule poate fi transferată pe pereți sub forma unui flux de căldură. Aceleași mecanisme determină mărimea fluxurilor de difuzie. Eficiență magnetică izolarea termică a plasmei se caracterizează prin energie. durata de viață t E = W/P, Unde W-conținutul total de energie al plasmei, a P- puterea de încălzire a plasmei necesară pentru menținerea acesteia în stare staționară. Valoarea t E poate fi considerat și timpul caracteristic de răcire al plasmei dacă puterea de încălzire este oprită brusc. Într-o plasmă liniștită, fluxurile de particule și căldură către pereții camerei sunt create din cauza ciocnirilor perechi de electroni și ioni. Aceste fluxuri sunt calculate teoretic ținând cont de traiectorii reale de sarcină. particule per mag. câmpul T. Teoria corespunzătoare a proceselor de difuzie se numește. neoclasic (vezi Procese de migrare).În plasma reală T. există întotdeauna mici fluctuații ale câmpurilor și fluxurilor de particule, prin urmare nivelurile reale de căldură și fluxurile de particule depășesc de obicei semnificativ predicțiile celor neoclasice. teorii.

Experimentele efectuate pe multe T. decomp. forme și dimensiuni, au făcut posibilă rezumarea rezultatelor studiilor privind mecanismele de transfer sub forma unor studii empirice corespunzătoare. dependențe. În special, s-au constatat dependențe energetice. durata de viață t E din principal parametrii plasmatici pentru decomp. ține mod. Aceste dependențe sunt numite s k e l i n g a m i; sunt utilizate cu succes pentru a prezice parametrii plasmei în instalațiile nou puse în funcțiune.

Autoorganizarea plasmei. În plasma T. există întotdeauna cele slab neliniare, care influențează profilurile distribuției temperaturii, densității particulelor și densității curentului de-a lungul razei, de parcă le controlează. În special, spre centru. zone ale cordonului plasmatic sunt foarte des prezente așa-numitele. oscilații ale dinților de ferăstrău, reflectând un proces care se repetă periodic de exacerbare treptată și apoi o aplatizare bruscă a profilului de temperatură. Oscilațiile în formă de rampă împiedică contracția curentului către magnet. axa torusului (vezi contracție de descărcare de gaz). În plus, în T. din când în când sunt excitate moduri elicoidale (așa-numitele moduri t i r i n g), care se observă în afara cordonului sub formă de unde magnetice de joasă frecvență. ezitare. Modurile obositoare contribuie la stabilirea unei distribuții mai stabile a densității curentului de-a lungul razei. Dacă plasma este manipulată cu insuficientă atenție, modurile de rupere pot deveni atât de puternice încât perturbațiile magnetice pe care le provoacă pot câmpurile distrug magneții. suprafețe pe întregul volum al cordonului de plasmă, magnetice. configurația este distrusă, energia plasmei este eliberată pe pereți și curentul din plasmă se oprește din cauza răcirii sale puternice (vezi. Instabilitate lacrimală).

Pe lângă aceste oscilații volumetrice, există moduri de oscilație localizate la limita coloanei de plasmă. Aceste moduri sunt foarte sensibile la starea plasmei chiar la periferie; comportamentul lor este complicat de procesele atomice. Ext. și interne Modurile de vibrație pot influența puternic procesele de transfer de căldură și particule; acestea conduc la posibilitatea tranziției plasmei de la un mod magnetic. izolatie termica la alta si inapoi. Dacă în plasmă T. distribuția vitezei particulelor este foarte diferită de , atunci apare posibilitatea dezvoltării cineticii. instabilități. De exemplu, odată cu nașterea unui număr mare de electroni fugari, așa-numitul instabilitatea ventilatorului, ducând la transformarea energiei electronilor longitudinale în energie transversală. Cinetică. instabilitățile se dezvoltă și în prezența ionilor de înaltă energie care apar atunci când sunt complementari. încălzirea plasmei.

Încălzire cu plasmă. Plasma oricărui T. este încălzită automat datorită căldurii Joule de la curentul care circulă prin el. Eliberarea de energie Joule este suficientă pentru a obține o temperatură de câteva. milioane de grade În scopul fuziunii termonucleare controlate, sunt necesare temperaturi >10 8 K, prin urmare toate T. mari sunt completate cu sisteme puternice încălzire cu plasmă. În acest scop, se folosesc fie magneți electrici. valuri descompuse sau direcționează particulele rapide în plasmă. Pentru încălzirea cu plasmă de înaltă frecvență, este convenabil să folosiți rezonanțe, care corespund celor interne. oscila procese în plasmă. De exemplu, este convenabil să se încălzească componenta ionică în intervalul de armonici ale frecvențelor ciclotronului sau bazice. ioni de plasmă sau ioni aditivi special selectați. Electronii sunt încălziți prin rezonanța ciclotronului electronic.

La încălzirea ionilor cu particule rapide, se folosesc de obicei fascicule puternice de atomi neutri. Astfel de fascicule nu interacționează cu magnetismul. câmp și pătrund adânc în plasmă, unde sunt ionizate și captate de magnetism. câmpul T.

Cu ajutorul unor metode suplimentare de încălzire, este posibilă creșterea temperaturii plasma T. la >3·10 8 K, ceea ce este destul de suficient pentru a avea loc o reacție termonucleară puternică. În viitoarele reactoare T. în curs de dezvoltare, încălzirea plasmei va fi efectuată de particule alfa de înaltă energie care decurg din reacția de fuziune a nucleelor de deuteriu și tritiu.

Tokamak staționar. De obicei, curentul curge în plasmă numai în prezența unui curent electric turbionar. câmp creat prin creșterea câmpului magnetic. curgere în inductor. Mecanismul inductiv de menținere a curentului este limitat în timp, astfel încât modul corespunzător de izolare a plasmei este pulsat. Cu toate acestea, modul pulsat nu este singurul posibil; încălzirea plasmei poate fi folosită și pentru a menține curentul dacă, împreună cu energia, este transferat și un impuls diferit pentru diferite componente ale plasmei. Menținerea curentului neinductiv este facilitată datorită generării de curent de către plasmă însăși în timpul extinderii difuziei acesteia către pereți (efect bootstrap). Efectul bootstrap a fost prezis de oamenii de știință neoclasici. teorie și apoi confirmată experimental. Experimentele arată că T. plasma poate fi ținută staționară, iar Ch. eforturi pentru a practic dezvoltarea regimului staționar vizează creșterea eficienței întreținerii curente.

Deviator, controlul impurităților. În scopul fuziunii termonucleare controlate, este necesară plasmă foarte pură pe bază de izotopi de hidrogen. Pentru a limita amestecul altor ioni în plasmă, la începutul T. plasma era limitată la așa-numita. l i m i t e r o m (Fig. 2, A), adică o diafragmă care împiedică plasma să intre în contact cu suprafața mare a camerei. În modern T. se folosește o configurație de divertor mult mai complexă (Fig. 2, b), creat de bobine de magnet poloidal. câmpuri. Aceste bobine sunt necesare chiar și pentru plasmă cu secțiune rotundă: cu ajutorul lor, se creează componenta magnetică verticală. câmpuri, margini atunci când interacționați cu principalul. curentul de plasmă nu permite ca bobina de plasmă să fie aruncată pe perete în direcția unei raze mari. În configurația deviatorului, spirele magnetului poloidal. câmpurile sunt amplasate astfel încât secțiunea transversală a plasmei să fie alungită în direcția verticală. În același timp, închis magnetic suprafețele se păstrează doar în interior; în exterior, liniile sale de forță merg în interiorul camerelor deviatoare, unde fluxurile de plasmă care curg din principal sunt neutralizate. volum. În camerele deviatoare, este posibil să se înmoaie sarcina de la plasmă pe plăcile de deviație datorită adăugării. răcirea plasmei în timpul interacțiunilor atomice.

Orez. 2. Secțiune transversală a plasmei cu o secțiune transversală circulară ( A) și alungit vertical pentru a forma o configurație de divertor ( 6): 1-plasmă; 2- limitator; 3 - peretele camerei; 4 - separator; 5-camera deviatoare; 6 - plăci deviatoare.

Reactorul Tokamak. Ch. Scopul cercetării asupra instalaţiilor T. este de a stăpâni conceptul de magnetic. Reținerea cu plasmă pentru creaturi reactor de fuziune. Pe T. se poate crea o plasmă stabilă la temperatură înaltă cu o temperatură și densitate suficiente pentru un reactor termonuclear; au fost stabilite legi pentru izolarea termică a plasmei; sunt stăpânite metode de menținere a curentului și de control al nivelului de impurități. Lucrările la T. se deplasează din faza pur fizică. cercetare în faza de creare a experimentelor. .

Lit.: Artsimovici L. A., Managed, ed. a II-a, M., 1963; Lukyanov S. Yu., Plasmă fierbinte și fuziune nucleară controlată, M., 1975; Kadomtsev B.V., Plasma Tokamak un sistem fizic complex, L., 1992. B. B. Kadomtsev.

Tokamak (cameră toroidală cu bobine magnetice) este o instalație toroidală pentru plasmă de confinare magnetică pentru a realiza condițiile necesare pentru ca fuziunea termonucleară controlată să aibă loc. Plasma dintr-un tokamak este reținută nu de pereții camerei, care poate rezista la temperatura sa doar până la o anumită limită, ci de un câmp magnetic special creat. În comparație cu alte instalații care folosesc un câmp magnetic pentru a limita plasma, o caracteristică tokamak este utilizarea unui curent electric care curge prin plasmă pentru a crea câmpul poloidal necesar pentru comprimarea, încălzirea și menținerea echilibrului plasmei. Acesta, în special, diferă de un stellarator, care este una dintre schemele alternative de izolare în care atât câmpurile toroidale, cât și cele poloidale sunt create folosind bobine magnetice. Dar din moment ce filamentul de plasmă este un exemplu de echilibru instabil, proiectul tokamak nu a fost încă implementat și se află în stadiul de experimente extrem de costisitoare pentru a complica instalarea.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că, spre deosebire de reactoarele fisile (fiecare dintre care inițial a fost proiectat și dezvoltat separat în propriile țări), tokamak este în prezent dezvoltat în comun în cadrul proiectului științific internațional ITER.

Câmp și flux magnetic Tokamak.

Poveste

timbru poștal URSS, 1987.

Propunerea de utilizare a fuziunii termonucleare controlate în scopuri industriale și o schemă specifică care utilizează izolarea termică a plasmei de înaltă temperatură printr-un câmp electric au fost formulate pentru prima dată de fizicianul sovietic O. A. Lavrentiev într-o lucrare la mijlocul anilor 1950. Această lucrare a servit drept catalizator pentru cercetările sovietice privind problema fuziunii termonucleare controlate. A.D. Saharov și I.E. Tamm au propus în 1951 modificarea schemei, propunând o bază teoretică pentru un reactor termonuclear, în care plasma să aibă forma unui tor și să fie conținută de un câmp magnetic.

Termenul „tokamak” a fost inventat mai târziu de Igor Nikolaevich Golovin, un student al academicianului Kurchatov. Inițial suna ca „tokamag” - o abreviere pentru cuvintele „cameră magnetică toroidală”, dar N.A. Yavlinsky, autorul primului sistem toroidal, a propus înlocuirea „-mag” cu „-mac” pentru eufonie. Mai târziu, acest nume a fost împrumutat de multe limbi.

Primul tokamak a fost construit în 1955 și pentru o lungă perioadă de timp tokamak-urile au existat doar în URSS. Abia după 1968, când pe T-3 tokamak, construit la Institutul de Energie Atomică. I.V. Kurchatov, sub conducerea academicianului L.A. Artsimovici, a fost atinsă o temperatură a plasmei de 10 milioane de grade, iar oamenii de știință englezi cu echipamentele lor au confirmat acest fapt, pe care la început au refuzat să-l creadă, a început un adevărat boom tokamak în lume. Din 1973, programul de cercetare pentru fizica plasmei pe tokamak a fost condus de Boris Borisovich Kadomtsev.

În prezent, un tokamak este considerat cel mai promițător dispozitiv pentru implementarea fuziunii termonucleare controlate.

Dispozitiv

Un tokamak este o cameră toroidală în vid pe care sunt înfășurate bobine pentru a crea un câmp magnetic toroidal. Aerul este mai întâi pompat din camera de vid și apoi umplut cu un amestec de deuteriu și tritiu. Apoi, folosind un inductor, se creează un câmp electric vortex în cameră. Inductorul este înfășurarea primară a unui transformator mare, în care camera tokamak este înfășurarea secundară. Câmpul electric determină curgerea curentului și aprinde camera cu plasmă.

Curentul care curge prin plasmă îndeplinește două sarcini:

încălzește plasma în același mod ca orice alt conductor (încălzire ohmică);

creează un câmp magnetic în jurul său. Acest câmp magnetic se numește poloidal (adică direcționat de-a lungul liniilor care trec prin polii sistemului de coordonate sferice).

Câmpul magnetic comprimă curentul care circulă prin plasmă. Ca rezultat, se formează o configurație în care liniile elicoidale de câmp magnetic „răscesc” cordonul de plasmă. În acest caz, pasul în timpul rotației în direcția toroidală nu coincide cu pasul în direcția poloidală. Liniile magnetice se dovedesc a fi neînchise; ele se răsucesc în jurul torusului de nenumărate ori, formând așa-numitele „suprafețe magnetice” de formă toroidală.

Prezența unui câmp poloidal este necesară pentru confinarea stabilă a plasmei într-un astfel de sistem. Deoarece este creat prin creșterea curentului din inductor și nu poate fi infinit, timpul de existență stabilă a plasmei într-un tokamak clasic este limitat. Pentru a depăși această limitare, au fost dezvoltate metode suplimentare de menținere a curentului. În acest scop, se poate folosi injecția de atomi neutri accelerați de deuteriu sau tritiu sau radiații cu microunde în plasmă.

Pe lângă bobinele toroidale, sunt necesare bobine de câmp poloidale suplimentare pentru a controla cordonul de plasmă. Sunt rotații inelare în jurul axei verticale a camerei tokamak.

Încălzirea singură datorită fluxului de curent nu este suficientă pentru a încălzi plasma la temperatura necesară unei reacții termonucleare. Pentru încălzire suplimentară, radiația cu microunde este utilizată la așa-numitele frecvențe de rezonanță (de exemplu, care coincid cu frecvența ciclotronului fie a electronilor, fie a ionilor) sau injectarea de atomi neutri rapidi.

Tokamaks și caracteristicile lor

În total, în lume au fost construite aproximativ 300 de tokamak-uri. Cele mai mari dintre ele sunt enumerate mai jos.

URSS și Rusia

T-3 este primul dispozitiv funcțional.

T-4 - versiunea mărită a lui T-3

T-7 este o instalație unică în care, pentru prima dată în lume, este implementat un sistem magnetic relativ mare cu un solenoid supraconductor pe bază de niobat de staniu răcit cu heliu lichid. Sarcina principală a lui T-7 a fost finalizată: a fost pregătită perspectiva următoarei generații de solenoizi supraconductori pentru energie termonucleară.

T-10 și PLT sunt următorul pas în cercetarea termonucleară mondială, au aproape aceeași dimensiune, putere egală, cu același factor de izolare. Și rezultatele obținute sunt identice: în ambele reactoare s-a atins temperatura de fuziune termonucleară, iar decalajul după criteriul Lawson a fost de 200 de ori.

T-15 este un reactor de astăzi cu un solenoid supraconductor care oferă un câmp de inducție de 3,6 Tesla.

China

EST - situat în orașul Hefei, provincia Anhui. Criteriul Lawson pentru nivelul de aprindere a fost depășit la tokamak, coeficientul de ieșire de energie a fost de 1,25

7 miliarde de tenge din bugetul țării investite în construcții, și 6 ani de oprire forțată în căutarea surselor de finanțare. Proiectul tokamak pentru știința materialelor din Kazahstan a fost pe punctul de a se încheia. Cu toate acestea, situația s-a schimbat radical datorită noilor direcții de cooperare internațională. Jurnalistul Grigory Bedenko a vizitat Kurchatov și a pregătit un raport special pentru Infromburo.kz despre perspectivele cercetării în domeniul fuziunii termonucleare controlate.

Puțină istorie

La mijlocul secolului al XX-lea, cele mai dezvoltate țări ale lumii au stăpânit foarte repede energia atomică și au învățat să o folosească atât în programele de arme militare, cât și să producă volume mari de energie termică și electrică în scopuri pașnice. Cu toate acestea, procesul de dezintegrare controlată a nucleului atomic s-a dovedit a fi extrem de nesigur pentru mediu. Accidentele de la centralele nucleare și problema enormă a eliminării deșeurilor de mare activitate au privat acest tip de energie de perspectivele sale. Apoi, la mijlocul secolului, oamenii de știință au emis ipoteza că fuziunea termonucleară controlată ar putea fi o alternativă. Experții au propus repetarea, în condiții terestre, a proceselor care au loc în adâncurile stelelor și învățarea nu numai să le controleze, ci și să obțină energie în cantitățile necesare existenței civilizației. După cum se știe, fuziunea termonucleară se bazează pe principiul fuziunii nucleelor ușoare de hidrogen în altele mai grele cu formarea heliului. În acest caz, se eliberează mult mai multă energie decât în timpul procesului invers, când nucleele elementelor grele sunt împărțite în altele mai ușoare cu eliberare enormă de energie și formarea de izotopi ai diferitelor elemente ale tabelului periodic. Nu există efecte nocive sau deșeuri de producție periculoase în reactoarele termonucleare.

Diagrama reactorului termonuclear experimental internațional ITER

Este curios că procesul de fuziune termonucleară în sine a fost recreat destul de ușor pentru programele de arme, dar dezvoltarea de proiecte energetice pașnice s-a dovedit a fi o sarcină aproape imposibilă. Principalul lucru pentru o bombă cu hidrogen este, de fapt, să înceapă procesul de fuziune, care are loc în nanosecunde. Dar un reactor termonuclear de putere necesită condiții speciale. Pentru a obține energie, este necesar să se mențină plasma la temperatură ridicată într-o stare controlată pentru o anumită perioadă de timp - este încălzită de la 10 la 30 de milioane de grade Celsius. Prin limitarea unei astfel de plasme, se creează condiții fizice pentru fuziunea nucleelor ușoare de deuteriu și tritiu în cele grele. Mai mult, ar trebui eliberată mai multă energie decât cheltuită pentru încălzirea și limitarea plasmei. Se crede că un singur impuls cu fuziune termonucleară controlată cu un coeficient de eliberare de energie pozitivă ar trebui să dureze cel puțin 500 de secunde. Dar pentru o astfel de perioadă și la astfel de temperaturi, niciun material structural al unui reactor promițător nu va rezista. Pur și simplu se va evapora. Și oamenii de știință din întreaga lume s-au luptat cu problema științei materialelor de mai bine de jumătate de secol aproape fără niciun rezultat.

Plasma obținută la tokamak de știință a materialelor din Kazahstan / Materiale furnizate de Institutul de Energie Atomică al Centrului Național Nuclear al Republicii Kazahstan

Materiale furnizate de Institutul de Energie Atomică NNC RK

Acest videoclip cu mișcare foarte lentă arată formarea plasmei într-un tokamak kazah (materiale furnizate de Institutul de Energie Atomică al Centrului Național Nuclear al Republicii Kazahstan)

Formarea de plasmă în CFT

Ce sunt tokamak și stellarator?

Abrevierea este rusă, deoarece prima instalație a fost dezvoltată în Uniunea Sovietică. Un tokamak este o cameră toroidală cu bobine magnetice. Un tor este o figură geometrică tridimensională (în formă de gogoașă, în cuvinte simple), iar un toroid este un fir subțire înfășurat în jurul unui cadru în formă de tor. Astfel, plasma la temperatură înaltă din instalație este formată și reținută sub formă de tor. În acest caz, principiul principal al unui tokamak este că plasma nu interacționează cu pereții camerei, ci atârnă în spațiu, așa cum ar fi, ținută de un câmp magnetic super-puternic. Schema de izolare termică a plasmei și metoda de utilizare a unor astfel de instalații în scopuri industriale au fost propuse pentru prima dată de fizicianul sovietic Oleg Aleksandrovich Lavrentyev. Primul tokamak a fost construit în 1954 și a existat multă vreme doar în URSS. Până în prezent, în lume au fost construite aproximativ două sute de dispozitive similare. În prezent, funcționează camere toroidale pentru studiul fuziunii termonucleare controlate în Rusia, SUA, Japonia, China și Uniunea Europeană. Cel mai mare proiect internațional din acest domeniu este ITER (mai multe despre asta mai târziu). Inițiatorul construcției unui tokamak pentru știința materialelor în Kazahstan a fost șeful Institutului rus Kurchatov, academicianul Evgeny Pavlovich Velikhov. Din 1975, a condus programul reactorului de fuziune controlat sovietic. Ideea de a construi o instalație la fostul site de testare nucleară de la Semipalatinsk a apărut în 1998, când Velikhov s-a întâlnit cu președintele Republicii Kazahstan Nursultan Nazarbayev.

Schema de izolare a plasmei într-un stellarator / Materiale furnizate de Institutul de Energie Atomică NNC RK

Un stellarator este un tip alternativ de reactor la un tokamak pentru realizarea fuziunii termonucleare controlate. Inventat de astrofizicianul american Lyman Spitzer în 1950. Numele provine de la cuvântul latin stella (stea), care indică asemănarea proceselor din interiorul stelelor și dintr-o instalație creată de om. Principala diferență este că câmpul magnetic pentru izolarea plasmei de pereții interiori ai camerei este creat în întregime de bobine externe, ceea ce îi permite să fie utilizat în mod continuu. Plasma din stellarator se formează sub forma unei „gogoși mototolit” și, parcă, se răsucește. Astăzi, există stellaratori de cercetare în Rusia, Ucraina, Germania și Japonia. Mai mult, cel mai mare starrator din lume, Wendelstein 7-X (W7-X), a fost lansat recent în Germania.

Tokamak pentru știința materialelor din Kazahstan / Grigory Bedenko

Toate acestea sunt facilități de cercetare”, spune șeful grupului științific al proiectului KTM. Stellarator diferă în configurația câmpului său magnetic. Într-un tokamak, o așa-numită înfășurare toroidală și o înfășurare exterioară poloidală sunt folosite pentru a conține plasma. Dar într-un stellarator este invers - există o rană înfășurată într-o spirală, care îndeplinește atât funcțiile toroidale, cât și poloidale. Tokamak-ul este inițial o instalație în impulsuri, iar stellaratorul este o instalație mai staționară, adică avantajul înfășurării răsucite vă permite să țineți plasma la nesfârșit. Stellaratorii au fost dezvoltați în același timp cu tokamak-urile, iar la un moment dat tokamak-urile au preluat conducerea în parametrii plasmei. „Procesiunea” tokamak-urilor a început peste tot în lume. Dar, cu toate acestea, stellaratorii se dezvoltă. Sunt disponibile în Japonia; au fost construite recent în Germania - Wendelstein 7-X (W7-X) a fost pus în funcțiune. Există un stellarator în SUA. În plus, există un număr mare de tot felul de instalații de cercetare cu plasmă parțial magnetică - acestea sunt diverse capcane. Există, de asemenea, fuziunea termonucleară inerțială, când o țintă mică este încălzită de radiația laser. Aceasta este o explozie termonucleară atât de mică.

Unități și ansambluri ale părții superioare a instalației / Grigory Bedenko

Și totuși, tokamak-ul este considerat cel mai promițător ca reactor termonuclear industrial astăzi.

Clădirea tehnologică în care se află KTM / Grigory Bedenko

Tokamak din Kazahstan

Instalația din Kazahstan a fost construită până în 2010 pe un loc special desemnat în zona administrativă a fostului loc de testare Semipalatinsk - orașul Kurchatov. Complexul este format din mai multe clădiri tehnologice care adăpostesc componente și ansambluri tokamak, precum și ateliere, săli de prelucrare a datelor, cazare personalului etc. Proiectul a fost dezvoltat în Rusia pe baza Centrului Național de Cercetare Termonucleară (Institutul Kurchatov). Camera de vid, bobinele magnetice etc. au fost proiectate și asamblate la Institutul de Cercetare a Echipamentelor Electrofizice care poartă numele. D.V. Evremov (Institutul de Cercetare EFA), automatizare - la Institutul Politehnic din Tomsk. Printre participanții la proiect din partea rusă s-au numărat și Institutul de Curenți All-Russian (NII TVCH), TRINITI (Institutul Troitsk de Cercetare Inovatoare și Termonucleare). Proiectantul general din Kazahstan a fost Promenergoproekt LLP, iar complexul Kazelektromontazh UPC a fost instalat direct. După ce toate lucrările au fost finalizate, CTM-ul a fost lansat și a produs prima plasmă. Apoi finanțarea proiectului a fost oprită, iar tokamak-ul s-a transformat într-o atracție turistică costisitoare de înaltă tehnologie timp de șase ani lungi.

Instalarea echipamentelor de modernizare pentru KTM / Grigory Bedenko

A doua viață a KTM

Proiectul a fost repornit în ajunul EXPO 2017 de la Astana. Se potrivește perfect cu conceptul de Expoziție Mondială dedicată energiei viitorului. Pe 9 iunie, instalația a fost reluată în prezența unui număr mare de jurnaliști. Dezvoltatorii ruși au fost prezenți la lansare. După cum sa afirmat în timpul ceremoniei, scopul primei etape a lansării fizice este depanarea și testarea sistemelor KTM standard. De asemenea, potrivit șefului Centrului Național Nuclear al Republicii Kazahstan, Erlan Batyrbekov, pe baza tokamak-ului kazah, oamenii de știință din diferite țări vor putea efectua o gamă largă de cercetări, inclusiv modernizarea reactoarelor industriale existente.

Convertorul AC pentru KTM are un aspect futurist / Grigory Bedenko

Apoi situația s-a dezvoltat într-o direcție și mai favorabilă. La Astana, în cadrul Conferinței ministeriale și al celui de-al VIII-lea Forum Internațional al Energiei, Kazahstanul a primit o invitație oficială de a deveni membru asociat al Organizației Internaționale ITER. Reactorul Termonuclear Experimental Internațional este creat de un grup de țări pentru a demonstra posibilitatea utilizării comerciale a energiei termonucleare, precum și pentru rezolvarea problemelor fizice și tehnologice din acest domeniu. În esență, ITER este un tokamak imens și foarte complex. La proiect participă țările Uniunii Europene, India, China, Coreea de Sud, Rusia, SUA, Japonia și acum țara noastră. Din Kazahstan, cercetările pe această temă vor fi efectuate de specialiști de la Centrul Național Nuclear, Institutul de Cercetare de Fizică Experimentală și Teoretică al Universității Naționale din Kazahstan. Al-Farabi, Institutul de Fizică Nucleară, Uzina Metalurgică Ulba, KazNIPIEnergoprom și Kazelektromash. ITER va fi creat în Franța, la 60 de kilometri de Marsilia. În prezent, costul proiectului este estimat la 19 miliarde de euro. Lansarea instalației este programată pentru 2025.

Baurzhan Cektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, șeful grupului științific al proiectului CTM

Pe 10 iunie a fost încheiat un memorandum privind cercetarea comună între ITER și KTM. În cadrul acestui acord, se pregătește în prezent un proiect de interacțiune cu Organizația Internațională ITER. Sunt interesați de instalația noastră. De asemenea, proiectul ITER în sine nu este simplu; există o problemă de materiale. Ca parte a proiectului, vom studia tungstenul și beriliul. Anumite componente și părți ale ITER vor fi realizate din acest material. Le vom rula. Întregul perete al reactorului ITER va fi căptușit cu plăci de tungsten și beriliu. Camera de vid în sine constă dintr-un deviator, în care curge curgerea de plasmă; acolo este locul cel mai intens - 20 MW pe metru pătrat. Va fi wolfram. Restul primului perete va fi căptușit cu beriliu.

KTM este un sistem foarte complex din punct de vedere tehnologic / Grigory Bedenko

- De ce înITERatât de interesat de tokamak-ul nostru?

Pe lângă știința materialelor, sarcina instalației noastre este de a studia fizica plasmei. CTM este unic în ceea ce privește raportul de aspect. Există un astfel de parametru, unul dintre principalii pentru tokamak - raportul dintre raza mare de la axă la centrul plasmei la cea mică, adică de la axa plasmei la marginile sale. Pentru noi acest parametru este egal cu doi. În același ITER - 3.1. Toate tokamak-urile care au mai mult de 3 sunt clasice. Există o direcție modernă de tokamak - acestea sunt tokamak-uri sferice, în care raportul de aspect este mai mic de 2 - unu și jumătate și chiar mai mic - acestea sunt camere reci, aproape sferice. Tokamak-ul nostru este situat, parcă, într-o poziție de graniță, între tokamak-urile clasice și cele sferice. Nu au existat încă astfel de instalații și aici cred că vor fi efectuate cercetări interesante asupra comportamentului plasmei. Astfel de instalații sunt considerate ca viitoare reactoare hibride sau surse volumetrice de neutroni.

Partea inferioară a camerei de vid KTM / Fotografie de Grigory Bedenko

- Cât de promițătoare este cooperarea cuITER?Va salva proiectul?

În 2010, a avut loc o lansare de probă folosind echipamentul și pregătirea disponibilă la acel moment. Sarcina a fost de a arăta că instalația „respiră” și este capabilă să funcționeze. În același an al zecelea, am rămas fără finanțare. Apoi au fost șase ani de inactivitate. În tot acest timp ne-am luptat pentru buget. A fost aprobat anterior în 2006 și a trebuit să fie complet revizuit. Aproximativ 80% din echipamentele noastre sunt străine, iar în contextul unor evenimente binecunoscute din sistemul financiar global, facilitatea a devenit semnificativ mai scumpă decât era planificat inițial. În 2016, după ajustarea bugetului proiectului, au fost alocate fonduri suplimentare. Instalația a costat deja bugetul kazah 7 miliarde de tenge. Aceasta include lucrări de construcție și instalare, fabricarea unei camere de vid și a unui sistem electromagnetic.

Cercetătorii trebuie să fie stăpâni în toate meseriile / Grigory Bedenko

- Ce se întâmplă acum? A avut loc o probă în iunie.

Acum crearea KTM este în stadiul final. În prezent, instalarea și punerea în funcțiune a sistemelor principale și auxiliare este în curs de desfășurare. Am încheiat un acord cu antreprenorul general care a câștigat licitația. Există două companii, una este angajată în lucrări de construcție și instalare, a doua - lucrări de punere în funcțiune. „KazIntelgroup” este angajat în lucrări de construcție și instalare, „Garantul de calitate XXI Century” este angajat în punerea în funcțiune. Construcția instalației este programată să fie finalizată în acest an. Apoi, înainte de sfârșitul anului, va avea loc o lansare fizică. În 2018, instalația va fi pusă în funcțiune și vor începe experimentele la scară largă. În termen de 3 ani, intenționăm să atingem parametrii nominali de proiectare care sunt incluși în instalație și apoi să cercetăm în continuare materialele.

În unele locuri, KTM-ul seamănă cu o navă extraterestră / Fotografie de Grigory Bedenko

- Ce mai faceți cu selecția angajaților?

Majoritatea tinerilor specialiști sunt absolvenți ai universităților din Kazahstan, din Ust-Kamenogorsk, Pavlodar și Semey. Unii au absolvit universitățile rusești, de exemplu, Universitatea Politehnică din Tomsk. Problema cu personalul este acută. Conform proiectului ar trebui să fie în jur de 120 de oameni, lucrează 40. Anul viitor, când complexul va fi dat în exploatare, atunci vor fi recrutări. Dar găsirea de specialiști în acest domeniu este o sarcină separată și dificilă.

Dmitry Olkhovik, șeful departamentului de sisteme de automatizare a experimentelor KTM

Particularitatea CFT este că are un dispozitiv rotativ-deviator, adică toate materialele studiate pot fi rotite în interiorul camerei. În plus, există și un dispozitiv de poartă de transport. Acest lucru face posibilă reîncărcarea materialelor studiate fără a depresuriza camera de vid. Pe alte instalații există anumite dificultăți: dacă camera a fost depresurizată, este nevoie de cel puțin o săptămână sau două pentru a o pregăti din nou pentru noi lansări. Putem înlocui cu ușurință mostrele de testare într-o singură campanie, fără a pierde timp cu depresurizarea. Acesta este avantajul economic al instalației.

Unele tipuri de echipamente noi sunt încă în ambalajul original / Grigory Bedenko

- Cum vor fi efectuate experimentele?

La astfel de instalații se desfășoară două campanii experimentale pe an. De exemplu, desfășurăm o campanie primăvara, apoi vara analizăm datele obținute și planificăm experimente ulterioare. A doua campanie are loc în toamnă. Campania în sine durează de la două până la trei luni. Există două probleme principale pe calea creării unui reactor de fuziune de putere. Prima este de a dezvolta tehnologia de producere și reținere a plasmei, a doua este de a dezvolta materiale, cele care se adresează direct plasmei, deoarece plasma este la temperatură ridicată. Fluxuri uriașe de energie zboară și influențează materialul. Materialul, la rândul său, este distrus și dispersat. Iar intrarea acestor particule în plasmă are un efect extrem de negativ. Plasma este foarte sensibilă la impurități. Ei răcesc plasma și în cele din urmă o sting. Există, de asemenea, subiectul efectelor neutronilor asupra materialelor structurale. Tokamak-ul nostru va testa materialele pentru a determina rezistența lor la căldură. Aceasta înseamnă că nu sunt pulverizate și compatibile cu plasma. Tungstenul și beriliul vor fi studiate ca astfel de materiale. Le vom testa, vom vedea cum se comportă în condiții de fluxuri mari de plasmă, la fel ca la ITER.

Curenți uriași de putere sunt utilizați în KTM / Grigory Bedenko

- Ce lucrări se efectuează pentru modernizarea KTM?

Instalare sisteme tehnologice pentru sisteme de vid, sisteme de racire. Aceasta este o instalație electrică foarte complexă. Pentru a obține un câmp magnetic, trebuie să luați multă energie din rețea. Există un anumit complex pentru conversia energiei. Pornind de la sistemul de alimentare cu impulsuri, se folosesc o mulțime de transformatoare purtătoare și se folosește un complex convertor teristor, adică un sistem destul de complex în ceea ce privește funcționarea, controlul, iar sistemul este foarte distribuit. Adică, toate aceste lucrări sunt acum efectuate, sursele de alimentare sunt reglate.

Lucrarea este foarte minuțioasă / Grigory Bedenko

Lucrul cu echipamente KTM noi

Astfel de instalații necesită o cantitate foarte mare de energie electrică pentru a funcționa. Va consuma mult KTM?

La funcționarea în regim nominal, absorbția de energie electrică din rețea va fi de aproximativ 80-100 MW. Pentru un experiment. Există, de asemenea, un sistem de încălzire suplimentar standard, care va pompa și energie din rețea.

Sistem de alimentare cu bobină magnetică / Grigory Bedenko

Se știe că în Kazahstan o parte semnificativă a populației are radiofobie. Acestea sunt consecințele socio-psihologice ale testelor nucleare. Cât de sigură va fi cercetarea dumneavoastră?

Se crede că fuziunea termonucleară controlată este o sursă alternativă de energie ecologică. Accidente precum Cernobîl, Fukushima etc. pur și simplu fizic nu pot avea loc aici. Cel mai grav lucru care se poate întâmpla este depresurizarea camerei de vid în care este conținută plasma. În acest caz, plasma este stinsă și aceste câteva grame de combustibil termonuclear care se aflau în cameră se scurg.

Partea superioară a instalației / Grigory Bedenko

Și încă câteva fapte interesante despre ITER, cel mai mare proiect internațional din istoria unor astfel de cercetări, în care experții noștri au mari speranțe. După cum am menționat mai sus, ITER este o organizație internațională care include mai mult de o duzină de țări: Rusia, Franța, Japonia, China, India, Uniunea Europeană, Canada și SUA. Interesant este că contribuția fiecărei țări la proiect se face sub formă de produse finite. De exemplu, Rusia produce unele înfășurări criogenice bazate pe supraconductori, echipamente de putere etc.

Lucrați la configurarea sistemului de alimentare pe KTM / Grigory Bedenko

ITER nu este încă o instalație de energie; nu va furniza energie. Aceasta este o demonstrație tehnologică a fezabilității producerii de plasmă cu energie. După ITER, când tehnologiile vor fi dezvoltate, va fi creat un reactor demonstrativ care va furniza deja energie. Acest lucru se va întâmpla undeva în anii 40-50 ai secolului XXI. Adică la 100 de ani de la începerea cercetărilor pe această temă.

Sala de control KTM / Grigory Bedenko

Proiectul ITER are aproximativ 500 de secunde de funcționare continuă. Reactor cu impulsuri. În principiu, se asigură până la 1000 de secunde. - cum va merge? Când toate tehnologiile au fost selectate, materialele și designul au fost aprobate, va fi creat în continuare DEMO. S-a decis deja ca acest reactor să fie construit în Japonia.

Unități KTM / Grigory Bedenko

Aparent, principiul de funcționare al unui reactor termonuclear de putere va fi următorul. Primul element, care va absorbi energia termică a plasmei, va conține canale pentru schimbul de căldură în interiorul său. Apoi totul este la fel ca la o centrală electrică convențională - încălzirea lichidului de răcire din circuitul secundar, învârtirea turbinelor și generarea de energie electrică.

Vedere generală a halei reactorului KTM / Grigory Bedenko

Lansarea fizică a ITER va avea loc în 2025. Va fi pusă în funcțiune în 2028. Pe baza rezultatelor lucrării, se ia în considerare opțiunea creării de reactoare hibride - unde neutronii din fuziunea termonucleară sunt folosiți pentru a împărți combustibilul nuclear.

Pentru realizarea condiţiilor necesare producerii. Plasma dintr-un tokamak este reținută nu de pereții camerei, care nu sunt capabili să reziste la temperatura necesară reacțiilor termonucleare, ci de un câmp magnetic combinat special creat - un câmp toroidal extern și poloidal al curentului care curge prin plasmă. cordon. În comparație cu alte instalații care folosesc un câmp magnetic pentru a limita plasma, utilizarea curentului electric este principala caracteristică a unui tokamak. Curentul din plasmă asigură încălzirea plasmei și menținerea echilibrului filamentului de plasmă în camera de vid. În acest fel, un tokamak, în special, diferă de un stellarator, care este una dintre schemele alternative de izolare în care atât câmpurile toroidale, cât și cele poloidale sunt create folosind bobine magnetice externe.

Reactorul Tokamak este în prezent dezvoltat ca parte a proiectului științific internațional ITER.

Poveste

În prezent, tokamak-ul este considerat cel mai promițător dispozitiv pentru implementarea fuziunii termonucleare controlate.

Dispozitiv

Un tokamak este o cameră toroidală în vid pe care sunt înfășurate bobine pentru a crea un câmp magnetic toroidal. Aerul este mai întâi pompat din camera de vid și apoi umplut cu un amestec de deuteriu și tritiu. Apoi folosind inductor se creează un câmp electric vortex în cameră. Inductorul este înfășurarea primară a unui transformator mare, în care camera tokamak este înfășurarea secundară. Câmpul electric determină curgerea curentului și aprinderea în camera cu plasmă.

Curentul care curge prin plasmă îndeplinește două sarcini:

încălzește plasma în același mod ca orice alt conductor (încălzire ohmică);
creează un câmp magnetic în jurul său. Acest câmp magnetic se numește poloidală(adică direcționat de-a lungul liniilor care trec prin stâlpi sistem de coordonate sferice).

Prezența unui câmp poloidal este necesară pentru confinarea stabilă a plasmei într-un astfel de sistem. Deoarece este creat prin creșterea curentului din inductor și nu poate fi infinit, timpul de existență stabilă a plasmei într-un tokamak clasic este încă limitat la câteva secunde. Pentru a depăși această limitare, au fost dezvoltate metode suplimentare de menținere a curentului. În acest scop, se poate folosi injectarea în plasmă de atomi neutri accelerați de deuteriu sau tritiu sau radiații cu microunde.

Pe lângă bobinele toroidale, sunt necesare altele suplimentare pentru a controla cablul de plasmă. bobine de câmp poloidal. Sunt rotații inelare în jurul axei verticale a camerei tokamak.

Tokamaks și caracteristicile lor

În total, în lume au fost construite aproximativ 300 de tokamak-uri. Cele mai mari dintre ele sunt enumerate mai jos.

URSS și Rusia

Kazahstan

Kazahstan Materials Research Tokamak (KTM) este o instalație termonucleară experimentală pentru cercetarea și testarea materialelor în regimuri de încărcare energetică apropiate de