Çfarë është një tokamak? Reaktori termonuklear do të hapë një epokë të re për njerëzimin. Instalimi i lëvizjes teknokratike Tokamak

një pajisje për kryerjen e një reaksioni të shkrirjes termonukleare në plazmën e nxehtë në një mënyrë pothuajse stacionare, ku plazma krijohet në një dhomë toroidale dhe stabilizohet nga një fushë magnetike. Qëllimi i instalimit është shndërrimi i energjisë intranukleare në nxehtësi dhe më pas në energji elektrike. Vetë fjala "tokamak" është një shkurtim për emrin "dhoma magnetike toroidale", por krijuesit e instalimit zëvendësuan "g" në fund me një "k" në mënyrë që të mos ngjallin shoqata me diçka magjike.

Një person merr energji atomike (si në një reaktor ashtu edhe në një bombë) duke ndarë bërthamat e elementeve të rënda në ato më të lehta. Energjia për nukleon është maksimumi për hekurin (i ashtuquajturi "maksimumi i hekurit"), dhe meqë maksimumi në mes, atëherë energjia do të çlirohet jo vetëm gjatë kalbjes së elementëve të rëndë, por edhe gjatë kombinimit të elementeve të lehta. Ky proces quhet shkrirje termonukleare dhe ndodh në një bombë hidrogjeni dhe një reaktor shkrirje. Janë të njohura shumë reaksione termonukleare dhe reaksione të shkrirjes. Burimi i energjisë mund të jetë ato për të cilat ka karburant të lirë, dhe dy mënyra thelbësisht të ndryshme për fillimin e reaksionit të shkrirjes janë të mundshme.

Mënyra e parë është "shpërthyese": një pjesë e energjisë shpenzohet për të sjellë një sasi shumë të vogël të substancës në gjendjen fillestare të kërkuar, ndodh një reaksion sinteze dhe energjia e lëshuar shndërrohet në një formë të përshtatshme. Në fakt, kjo është një bombë me hidrogjen, që peshon vetëm një miligram. Një bombë atomike nuk mund të përdoret si burim i energjisë fillestare; ajo nuk është "e vogël". Prandaj, supozohej se një tabletë milimetrash akulli deuterium-tritium (ose një sferë qelqi me një përzierje të ngjeshur të deuteriumit dhe tritiumit) do të rrezatohej nga të gjitha anët nga pulset lazer. Dendësia e energjisë në sipërfaqe duhet të jetë e tillë që shtresa e sipërme e tabletës, e cila është kthyer në plazmë, të nxehet në një temperaturë në të cilën presioni në shtresat e brendshme dhe ngrohja e shtresave të brendshme të vetë tabletës bëhen të mjaftueshme për reaksioni i sintezës. Në këtë rast, pulsi duhet të jetë aq i shkurtër sa substanca, e cila është shndërruar në plazmë me një temperaturë prej dhjetë milionë gradë në një nanosekondë, të mos ketë kohë të ndahet, por të shtypë pjesën e brendshme të tabletës. Kjo brendshme është e ngjeshur në një dendësi njëqind herë më të madhe se ajo e trupave të ngurtë dhe nxehet në njëqind milionë gradë.

Mënyra e dytë. Substancat fillestare mund të nxehen relativisht ngadalë - ato do të kthehen në plazmë, dhe më pas në të mund të futet energji në çdo mënyrë, derisa të arrihen kushtet për fillimin e reaksionit. Që një reaksion termonuklear të ndodhë në një përzierje të deuteriumit dhe tritiumit dhe për të marrë një prodhim pozitiv të energjisë (kur energjia e çliruar si rezultat i një reaksioni termonuklear është më e madhe se energjia e shpenzuar në këtë reaksion), është e nevojshme të krijohet një plazmë. me një dendësi prej të paktën 10 14 grimca/cm 3 (10 5 atm.), dhe ngroheni atë afërsisht në 10 9 gradë, ndërsa plazma jonizohet plotësisht.

Një ngrohje e tillë është e nevojshme në mënyrë që bërthamat të mund t'i afrohen njëra-tjetrës, pavarësisht nga zmbrapsja e Kulombit. Mund të tregohet se për të marrë energji, kjo gjendje duhet të ruhet për të paktën një sekondë (i ashtuquajturi "kriteri Lawson"). Një formulim më i saktë i kriterit Lawson: produkti i përqendrimit dhe koha e mbajtjes së kësaj gjendje duhet të jetë e rendit 10 15 cm cm 3. Problemi kryesor është qëndrueshmëria e plazmës: në një sekondë do të ketë kohë të zgjerohet shumë herë, të prekë muret e dhomës dhe të ftohet.

Në vitin 2006, komuniteti ndërkombëtar filloi ndërtimin e një reaktori demonstrues. Ky reaktor nuk do të jetë një burim i vërtetë energjie, por është projektuar në atë mënyrë që pas tij nëse gjithçka funksionon mirë, do të jetë e mundur të fillohet ndërtimi i atyre "energjetikë", d.m.th. reaktorët termonuklear të destinuar për t'u përfshirë në rrjetin elektrik. Projektet më të mëdha fizike (përshpejtuesit, radioteleskopët, stacionet hapësinore) po bëhen aq të shtrenjta sa që shqyrtimi i dy opsioneve rezulton të jetë i papërballueshëm edhe për njerëzimin, i cili ka bashkuar përpjekjet e tij, ndaj duhet bërë një zgjedhje.

Fillimi i punës për shkrirjen termonukleare të kontrolluar duhet të datohet në vitin 1950, kur I.E. Tamm dhe A.D. Sakharov arritën në përfundimin se shkrirja termonukleare e kontrolluar (CTF) mund të realizohej duke përdorur izolimin magnetik të plazmës së nxehtë. Në fazën fillestare, puna në vendin tonë u krye në Institutin Kurchatov nën udhëheqjen e L.A. Artsimovich. Problemet kryesore mund të ndahen në dy grupe: problemet e paqëndrueshmërisë së plazmës dhe problemet teknologjike (vakum i pastër, rezistenca ndaj rrezatimit, etj.) Tokamakët e parë u krijuan në vitet 1954-1960, tani janë ndërtuar më shumë se 100 tokamakë në botë. Në vitet 1960, u tregua se ngrohja duke kaluar rrymë (“ngrohja ohmike”) vetëm nuk mund të sillte një plazmë në temperaturat e shkrirjes. Mënyra më e natyrshme për të rritur përmbajtjen energjetike të plazmës dukej se ishte metoda e injektimit të jashtëm të grimcave të shpejta neutrale (atomeve), por vetëm në vitet 1970 u arrit niveli i nevojshëm teknik dhe u kryen eksperimente reale duke përdorur injektorë. Në ditët e sotme, ngrohja e grimcave neutrale me injeksion dhe rrezatim elektromagnetik në gamën e mikrovalëve konsiderohet më premtuese. Në vitin 1988, Instituti Kurchatov ndërtoi një tokamak T-15 të gjenerimit të para-reaktorit me dredha-dredha superpërçuese. Që nga viti 1956, kur gjatë vizitës së N.S. Hrushovi në Britaninë e Madhe, I.V. Kurchatov njoftoi zbatimin e këtyre punimeve në BRSS. Puna në këtë fushë po kryhet bashkërisht nga disa vende. Në vitin 1988, BRSS, SHBA, Bashkimi Evropian dhe Japonia filluan projektimin e reaktorit të parë eksperimental tokamak (instalimi do të ndërtohet në Francë).

Dimensionet e reaktorit të projektuar janë 30 metra në diametër dhe 30 metra lartësi. Periudha e parashikuar e ndërtimit të këtij instalimi është tetë vjet, dhe jeta e funksionimit është 25 vjet. Vëllimi i plazmës në instalim është rreth 850 metra kub. Rryma e plazmës 15 megaamps. Fuqia termonukleare e instalimit është 500 Megavat dhe ruhet për 400 sekonda. Në të ardhmen, kjo kohë pritet të rritet në 3000 sekonda, gjë që do të bëjë të mundur kryerjen e studimeve të para reale të fizikës së shkrirjes termonukleare (“djegie termonukleare”) në plazmë në reaktorin ITER.

Lukyanov S.Yu. Plazma e nxehtë dhe shkrirja bërthamore e kontrolluar. M., Nauka, 1975
Artsimovich L.A., Sagdeev R.Z. Fizika e plazmës për fizikantët. M., Atomizdat, 1979
Hegler M., Christiansen M. Hyrje në Fusion të kontrolluar. M., Mir, 1980
Killeen J. Fusioni termonuklear i kontrolluar. M., Mir, 1980
Bojko V.I. Shkrirja termonukleare e kontrolluar dhe problemet e shkrirjes termonukleare inerciale. Revista edukative Soros. 1999, nr.6

TOKAMAK(shkurtuar nga "dhoma toroidale me mbështjellje magnetike") - një pajisje për mbajtjen e temperaturave të larta duke përdorur një magnet të fortë. fusha. Ideja e T. u shpreh në vitin 1950 nga akademikët I. E. Tamm dhe A. D. Sakharov; eksperimentet e para Hulumtimi mbi këto sisteme filloi në vitin 1956.

Parimi i pajisjes është i qartë nga Fig. 1. Plazma krijohet në një dhomë vakumi toroidale, e cila shërben si kthesa e vetme e mbyllur e mbështjelljes dytësore të transformatorit. Kur kalon një rrymë që rritet me kalimin e kohës në mbështjelljen parësore të një transformatori 1 brenda dhomës së vakumit 5 krijohet një forcë elektrike gjatësore e vorbullës. fushë. Kur gazi fillestar nuk është shumë i madh (zakonisht përdoret hidrogjeni ose izotopet e tij), ndodh fuqia e tij elektrike. prishja dhe dhoma e vakumit mbushet me plazmë me një rritje të mëvonshme të një rryme të madhe gjatësore Ip. Në moderne T i madh. rryma në plazmë është disa. milion amper. Kjo rrymë krijon fushën e saj magnetike poloide (në rrafshin e prerjes tërthore të plazmës). fushë NË q. Përveç kësaj, një magnet i fortë gjatësor përdoret për të stabilizuar plazmën. fushë B f, krijuar duke përdorur speciale mbështjelljet e magnetit toroidal. fusha. Është kombinim i magneteve toroidale dhe poloidale. fushat siguron izolim të qëndrueshëm të plazmës me temperaturë të lartë (shih. Sistemet toroidale), të nevojshme për zbatim shkrirja termonukleare e kontrolluar.

Oriz. 1. Diagrami Tokamak: 1 - mbështjellja primare transformatues; 2 - mbështjellje të fushës magnetike toroidale; 3 - astar, dhoma e brendshme me mure të hollë për gdhendjereduktimi i fushës elektrike toroidale; 4 - bobinaki fushë magnetike poloide; 5 - vakum kamera; b- bërthama hekuri (bërthama magnetike).

Kufijtë e funksionimit. Magn. fusha T mban mjaft mirë plazmën me temperaturë të lartë, por vetëm brenda kufijve të caktuar të ndryshimit të parametrave të saj. 2 kufizimet e para zbatohen për rrymën e plazmës Ip dhe saj kf. dendësia P, e shprehur në njësi të numrit të grimcave (elektrone ose jone) për 1 m 3. Rezulton se për një vlerë të caktuar të magnetit toroidal. fushë, rryma e plazmës nuk mund të kalojë një vlerë të caktuar kufizuese, përndryshe kordoni i plazmës fillon të përdredhë përgjatë një linje spirale dhe përfundimisht shembet: i ashtuquajturi. paqëndrueshmëria e ndërprerjes aktuale. Për të karakterizuar rrymën kufizuese, përdoret një koeficient. aksioneve q nga paqëndrueshmëria e vidës, e përcaktuar nga relacioni q = 5B j a 2 /RI f. Këtu A- e vogel, R- rreze e madhe e kordonit plazmatik, B j - mag toroidale. fushë, Ip- rryma në plazmë (dimensionet maten në metra, fusha magnetike - në teslas, rryma - në MA). Një kusht i domosdoshëm për qëndrueshmërinë e një kolone plazmatike është pabarazia q>], të ashtuquajturat. k r i t e r i m K r u-s k a la - Shafranova. Eksperimentet tregojnë se një mënyrë e qëndrueshme e besueshme e mbajtjes arrihet vetëm në vlerat prej .

Ekzistojnë 2 kufij për densitetin - i poshtëm dhe i sipërm. Më e ulët Kufiri i densitetit shoqërohet me formimin e të ashtuquajturit. i përshpejtuar, ose elektronet e arratisura. Në densitet të ulët, frekuenca e përplasjeve të elektroneve me jonet bëhet e pamjaftueshme për të parandaluar kalimin e tyre në mënyrën e nxitimit të vazhdueshëm në fushën elektrike gjatësore. fushë. Elektronet e përshpejtuara në energji të larta mund të përbëjnë rrezik për elementët e dhomës së vakumit, kështu që dendësia e plazmës zgjidhet aq e lartë sa nuk ka elektrone të përshpejtuar. Nga ana tjetër, me një densitet mjaft të lartë, mënyra e izolimit të plazmës përsëri bëhet e paqëndrueshme për shkak të rrezatimit dhe proceseve atomike në kufirin e plazmës, të cilat çojnë në një ngushtim të kanalit aktual dhe zhvillimin e paqëndrueshmërisë spirale të plazmës. Top. kufiri i densitetit karakterizohet nga parametra pa dimension My-Crayfish M=nR/B j dhe gjigande H=nqR/B j (këtu mesatarja në të gjithë seksionin kryq është densiteti i elektronit n matur në njësi prej 10 20 grimca/m 3). Për mbyllje të qëndrueshme plazmatike është e nevojshme që numrat M Dhe H nuk i ka kaluar disa kritike vlerat.

Kur plazma nxehet dhe presioni i saj rritet, shfaqet një kufi tjetër, që karakterizon vlerën maksimale të qëndrueshme të presionit të plazmës, p = n(T e +T i), Ku T e, T i-temperaturat elektronike dhe jonike. Ky kufi vendoset në vlerën e b të barabartë me raportin cf. Presioni plazmatik në presion magnetik. fusha; një shprehje e thjeshtuar për vlerën kufizuese b jepet nga relacioni b i Troyonit c =gI p /aB j, ku g-faktori numerik i barabartë me afërsisht 3. 10 -2.

Termoizolimi. Mundësia e ngrohjes së plazmës në temperatura shumë të larta është për faktin se në një fushë të fortë magnetike. fusha e trajektores së karikimit grimcat duken si spirale të plagosura në një vijë magnetike. fusha. Falë kësaj, elektronet dhe jonet mbahen brenda plazmës për një kohë të gjatë. Dhe vetëm për shkak të përplasjeve dhe luhatjeve të vogla elektrike. dhe mag. fushat, energjia e këtyre grimcave mund të transferohet në mure në formën e një rrjedhje nxehtësie. Të njëjtët mekanizma përcaktojnë madhësinë e flukseve të difuzionit. Efikasiteti magnetik izolimi termik i plazmës karakterizohet nga energjia. jetëgjatësi t E = W/P, Ku W-përmbajtja totale e energjisë e plazmës, a P- fuqia ngrohëse e plazmës e nevojshme për ta mbajtur atë në një gjendje të palëvizshme. Vlera t E mund të konsiderohet edhe si koha karakteristike e ftohjes së plazmës nëse fuqia e ngrohjes fiket papritur. Në një plazmë të qetë, rrjedhjet e grimcave dhe nxehtësisë në muret e dhomës krijohen për shkak të përplasjeve në çift të elektroneve dhe joneve. Këto flukse llogariten teorikisht duke marrë parasysh trajektoret reale të ngarkesës. grimcat për mag. fusha T. Quhet teoria përkatëse e proceseve të difuzionit. neoklasike (shih Proceset e migrimit Në plazmën reale T. ka gjithmonë luhatje të vogla të fushave dhe flukseve të grimcave, prandaj nivelet reale të nxehtësisë dhe flukseve të grimcave zakonisht i tejkalojnë dukshëm parashikimet e atyre neoklasike. teoritë.

Eksperimentet e kryera në shumë T. dekomp. format dhe madhësitë, bënë të mundur përmbledhjen e rezultateve të studimeve të mekanizmave të transferimit në formën e studimeve empirike përkatëse. varësitë. Në veçanti, u gjetën varësi energjetike. jetëgjatësi t E nga kryesore Parametrat e plazmës për zbërthimin. mbaj mod. Këto varësi quhen s k e l i n g a m i; ato përdoren me sukses për të parashikuar parametrat e plazmës në instalimet e reja.

Vetë-organizimi i plazmës. Në plazmën T. ka gjithmonë jolineare të dobëta, të cilat ndikojnë në profilet e shpërndarjes së temperaturës, dendësisë së grimcave dhe densitetit të rrymës përgjatë rrezes, sikur i kontrollojnë ato. Në veçanti, në qendër. zonat e kordonit plazmatik janë shumë shpesh të pranishme të ashtuquajturat. lëkundjet e dhëmbëve sharrë, duke reflektuar një proces të përsëritur periodik të acarimit gradual dhe më pas një rrafshim të mprehtë të profilit të temperaturës. Lëkundjet në formë rampe parandalojnë tkurrjen e rrymës në magnet. boshti i torusit (shih Tkurrja e shkarkimit të gazit). Përveç kësaj, në T. herë pas here ngacmohen mënyrat spirale (të ashtuquajturat mënyra t i r i n g), të cilat vërehen jashtë kordonit në formën e valëve magnetike me frekuencë të ulët. hezitim. Mënyrat e lodhshme kontribuojnë në krijimin e një shpërndarjeje më të qëndrueshme të densitetit të rrymës përgjatë rrezes. Nëse plazma trajtohet me kujdes të pamjaftueshëm, mënyrat e grisjes mund të rriten aq shumë saqë shqetësimet magnetike që shkaktojnë mund të fushat shkatërrojnë magnet. sipërfaqet në të gjithë vëllimin e kordonit plazmatik, magnetike. konfigurimi shkatërrohet, energjia e plazmës lëshohet në mure dhe rryma në plazmë ndalet për shkak të ftohjes së saj të fortë (shih. Paqëndrueshmëri grisëse).

Përveç këtyre lëkundjeve vëllimore, ekzistojnë mënyra lëkundjeje të lokalizuara në kufirin e kolonës plazmatike. Këto mënyra janë shumë të ndjeshme ndaj gjendjes së plazmës në periferi; sjellja e tyre është e ndërlikuar nga proceset atomike. Jashtë. dhe të brendshme Mënyrat e dridhjes mund të ndikojnë fuqishëm në proceset e transferimit të nxehtësisë dhe grimcave; ato çojnë në mundësinë e kalimit të plazmës nga një mënyrë magnetike. izolim termik në një tjetër dhe mbrapa. Nëse në plazmën T. shpërndarja e shpejtësisë së grimcave është shumë e ndryshme nga , atëherë lind mundësia për zhvillimin e kinetikës. paqëndrueshmëritë. Për shembull, me lindjen e një numri të madh të elektroneve të arratisura, të ashtuquajturat paqëndrueshmëria e ventilatorit, duke çuar në shndërrimin e energjisë së elektroneve gjatësore në energji tërthore. Kinetike. paqëndrueshmëritë zhvillohen edhe në prani të joneve me energji të lartë që lindin kur plotësohen. ngrohja e plazmës.

Ngrohja e plazmës. Plazma e çdo T. nxehet automatikisht për shkak të nxehtësisë Joule nga rryma që rrjedh nëpër të. Lëshimi i energjisë xhaul është i mjaftueshëm për të marrë një temperaturë prej disa. milion gradë Për qëllime të shkrirjes termonukleare të kontrolluar nevojiten temperatura >10 8 K, prandaj të gjitha T. e mëdha plotësohen me sisteme të fuqishme. ngrohje me plazma. Për këtë qëllim, përdoren ose magnet elektrikë. valët e dekompozuara vargjet, ose drejtojnë grimcat e shpejta në plazmë. Për ngrohjen e plazmës me frekuencë të lartë, është i përshtatshëm të përdoren rezonancat, të cilat korrespondojnë me të brendshme. lëkunden proceset në plazmë. Për shembull, është i përshtatshëm për të ngrohur komponentin jonik në rangun e harmonikëve të frekuencave të ciklotronit ose bazë. jone plazme, ose jone aditivë të zgjedhur posaçërisht. Elektronet nxehen nga rezonanca e ciklotroneve të elektroneve.

Kur ngrohni jonet me grimca të shpejta, zakonisht përdoren rreze të fuqishme atomesh neutrale. Rrezet e tilla nuk ndërveprojnë me magnetizmin. fushë dhe depërtojnë thellë në plazmë, ku jonizohen dhe kapen nga magnetizmi. fusha T.

Me ndihmën e metodave shtesë të ngrohjes, është e mundur të rritet temperatura e plazmës T. në >3·10 8 K, e cila është mjaft e mjaftueshme për të ndodhur një reaksion i fuqishëm termonuklear. Në reaktorët T. të ardhshëm që do të zhvillohen, ngrohja e plazmës do të kryhet nga grimcat alfa me energji të lartë që dalin nga reaksioni i shkrirjes së bërthamave të deuteriumit dhe tritiumit.

Tokamak i palëvizshëm. Në mënyrë tipike, rryma rrjedh në plazmë vetëm në prani të një rryme elektrike vorbull. fushë e krijuar nga rritja e fushës magnetike. rrjedhin në induktor. Mekanizmi induktiv për ruajtjen e rrymës është i kufizuar në kohë, kështu që mënyra përkatëse e izolimit të plazmës është pulsuese. Sidoqoftë, mënyra e pulsit nuk është e vetmja e mundshme; ngrohja e plazmës mund të përdoret gjithashtu për të ruajtur rrymën nëse, së bashku me energjinë, një puls i ndryshëm për përbërës të ndryshëm të plazmës transferohet gjithashtu në plazmë. Mirëmbajtja e rrymës jo-induktive lehtësohet për shkak të gjenerimit të rrymës nga vetë plazma gjatë zgjerimit të saj të difuzionit drejt mureve (efekti bootstrap). Efekti bootstrap u parashikua nga shkencëtarët neoklasikë. teori dhe më pas u konfirmua eksperimentalisht. Eksperimentet tregojnë se plazma T. mund të mbahet e palëvizshme, dhe Ch. përpjekjet për të praktikisht zhvillimi i mënyrës së palëvizshme kanë për qëllim rritjen e efikasitetit të mirëmbajtjes aktuale.

Diverter, kontrolli i papastërtive. Për qëllime të shkrirjes termonukleare të kontrolluar, kërkohet plazma shumë e pastër e bazuar në izotopet e hidrogjenit. Për të kufizuar përzierjen e joneve të tjera në plazmë, në fillim të T. plazma kufizohej në të ashtuquajturat. l i m i t e r o m (Fig. 2, A), d.m.th., një diafragmë që pengon plazmën të vijë në kontakt me sipërfaqen e madhe të dhomës. Në moderne T. përdoret një konfigurim shumë më kompleks i divertorit (Fig. 2, b), krijuar nga mbështjelljet e magnetit poloidal. fusha. Këto mbështjellje janë të nevojshme edhe për plazmën me prerje tërthore të rrumbullakët: me ndihmën e tyre krijohet komponenti magnetik vertikal. fushat, skajet kur ndërveprojnë me kryesoren. Rryma e plazmës nuk lejon që spiralja e plazmës të hidhet në mur në drejtim të një rrezeje të madhe. Në konfigurimin e divertorit, kthesat e magnetit poloidal. fushat janë të vendosura në mënyrë që prerja tërthore plazmatike të jetë e zgjatur në drejtim vertikal. Në të njëjtën kohë, magnetike e mbyllur sipërfaqet ruhen vetëm brenda; jashtë, linjat e saj të forcës shkojnë brenda dhomave të divertorit, ku flukset plazmatike që rrjedhin nga kryesore neutralizohen. vëllimi. Në dhomat e divertorit, është e mundur të zbutet ngarkesa nga plazma në pllakat e divertorit për shkak të shtimit. ftohja e plazmës gjatë ndërveprimeve atomike.

Oriz. 2. Seksion kryq i plazmës me një prerje tërthore rrethore ( A) dhe e zgjatur vertikalisht për të formuar një konfigurim divertor ( 6): 1-plazma; 2- kufizues; 3 - muri i dhomës; 4 - separatrix; 5-dhomë devijuese; 6 - pllaka divertor.

Reaktori Tokamak. Ch. Qëllimi i kërkimit mbi instalimet T. është përvetësimi i konceptit magnetik. Mbajtja e plazmës për krijesat reaktor i shkrirjes. Në T. është e mundur të krijohet një plazmë e qëndrueshme me temperaturë të lartë me një temperaturë dhe densitet të mjaftueshëm për një reaktor termonuklear; janë vendosur ligje për izolimin termik të plazmës; zotërohen metodat e mbajtjes së rrymës dhe kontrollit të nivelit të papastërtive. Puna për T. po kalon nga faza thjesht fizike. hulumtimi në fazën e krijimit të eksperimenteve. .

Lit.: Artsimovich L. A., Managed, 2nd ed., M., 1963; Lukyanov S. Yu., Plazma e nxehtë dhe shkrirja bërthamore e kontrolluar, M., 1975; Kadomtsev B.V., Plazma Tokamak një sistem fizik kompleks, L., 1992. B. B. Kadomtsev.

Tokamak (dhoma toroidale me mbështjellje magnetike) është një instalim toroidal për kufizimin magnetik të plazmës në mënyrë që të arrihen kushtet e nevojshme që të ndodhë shkrirja termonukleare e kontrolluar. Plazma në një tokamak nuk mbahet nga muret e dhomës, e cila mund të përballojë temperaturën e saj vetëm deri në një kufi të caktuar, por nga një fushë magnetike e krijuar posaçërisht. Krahasuar me instalimet e tjera që përdorin një fushë magnetike për të kufizuar plazmën, një veçori tokamak është përdorimi i një rryme elektrike që rrjedh nëpër plazmë për të krijuar fushën poloidale të nevojshme për të kompresuar, ngrohur dhe ruajtur ekuilibrin e plazmës. Kjo, në veçanti, ndryshon nga një yjor, i cili është një nga skemat alternative të izolimit në të cilin fusha toroidale dhe poloidale krijohen duke përdorur mbështjellje magnetike. Por meqenëse filamenti i plazmës është një shembull i një ekuilibri të paqëndrueshëm, projekti tokamak ende nuk është zbatuar dhe është në fazën e eksperimenteve jashtëzakonisht të shtrenjta për të komplikuar instalimin.

Duhet të theksohet gjithashtu se, ndryshe nga reaktorët e zbërthimit (secili prej të cilëve fillimisht u projektua dhe u zhvillua veçmas në vendet e tyre), tokamak aktualisht po zhvillohet së bashku në kuadrin e projektit shkencor ndërkombëtar ITER.

Fusha magnetike dhe fluksi Tokamak.

Histori

Pullë postare e BRSS, 1987.

Propozimi për përdorimin e shkrirjes termonukleare të kontrolluar për qëllime industriale dhe një skemë specifike duke përdorur izolimin termik të plazmës me temperaturë të lartë nga një fushë elektrike u formuluan për herë të parë nga fizikani sovjetik O. A. Lavrentiev në një vepër në mesin e viteve 1950. Kjo punë shërbeu si një katalizator për kërkimin sovjetik mbi problemin e shkrirjes termonukleare të kontrolluar. A.D. Sakharov dhe I.E. Tamm në 1951 propozuan modifikimin e skemës, duke propozuar një bazë teorike për një reaktor termonuklear, ku plazma do të kishte formën e një torusi dhe do të përmbahej nga një fushë magnetike.

Termi "tokamak" u krijua më vonë nga Igor Nikolaevich Golovin, një student i Akademik Kurchatov. Fillimisht dukej si "tokamag" - një shkurtim për fjalët "dhoma magnetike toroidale", por N.A. Yavlinsky, autori i sistemit të parë toroidal, propozoi zëvendësimin e "-mag" me "-mac" për eufoni. Më vonë ky emër u huazua nga shumë gjuhë.

Tokamak i parë u ndërtua në 1955, dhe për një kohë të gjatë tokamaks ekzistonin vetëm në BRSS. Vetëm pas vitit 1968, kur në T-3 tokamak, i ndërtuar në Institutin e Energjisë Atomike. I.V. Kurchatov, nën udhëheqjen e Akademik L.A. Artsimovich, u arrit një temperaturë plazme prej 10 milion gradë, dhe shkencëtarët anglezë me pajisjet e tyre konfirmuan këtë fakt, të cilin në fillim ata refuzuan ta besonin, filloi një bum i vërtetë tokamak në botë. Që nga viti 1973, programi kërkimor për fizikën e plazmës në tokamaks u drejtua nga Boris Borisovich Kadomtsev.

Aktualisht, një tokamak konsiderohet pajisja më premtuese për zbatimin e shkrirjes termonukleare të kontrolluar.

Pajisja

Një tokamak është një dhomë vakumi toroidale në të cilën mbështjellen mbështjelljet për të krijuar një fushë magnetike toroidale. Ajri fillimisht pompohet nga dhoma e vakumit dhe më pas mbushet me një përzierje deuteriumi dhe tritiumi. Më pas, duke përdorur një induktor, krijohet një fushë elektrike vorbull në dhomë. Induktori është dredha-dredha kryesore e një transformatori të madh, në të cilin dhoma tokamak është dredha-dredha dytësore. Fusha elektrike bën që rryma të rrjedhë dhe të ndezë dhomën e plazmës.

Rryma që rrjedh nëpër plazmë kryen dy detyra:

ngroh plazmën në të njëjtën mënyrë si çdo përcjellës tjetër (ngrohja omike);

krijon një fushë magnetike rreth vetes. Kjo fushë magnetike quhet poloidale (d.m.th., e drejtuar përgjatë vijave që kalojnë nëpër polet e sistemit të koordinatave sferike).

Fusha magnetike ngjesh rrymën që rrjedh nëpër plazmë. Si rezultat, formohet një konfigurim në të cilin linjat spirale të fushës magnetike "përdredhin" kordonin e plazmës. Në këtë rast, hapi gjatë rrotullimit në drejtimin toroidal nuk përkon me hapin në drejtimin poloidal. Linjat magnetike rezultojnë të jenë të pambyllura; ato rrotullohen rreth torusit pafundësisht shumë herë, duke formuar të ashtuquajturat "sipërfaqe magnetike" të një forme toroidale.

Prania e një fushe poloidale është e nevojshme për izolim të qëndrueshëm të plazmës në një sistem të tillë. Meqenëse krijohet duke rritur rrymën në induktor dhe nuk mund të jetë e pafundme, koha e ekzistencës së qëndrueshme të plazmës në një tokamak klasik është e kufizuar. Për të kapërcyer këtë kufizim, janë zhvilluar metoda shtesë të mbajtjes së rrymës. Për këtë qëllim, mund të përdoret injektimi i atomeve neutrale të përshpejtuara të deuteriumit ose tritiumit ose rrezatimi i mikrovalës në plazmë.

Përveç bobinave toroidale, nevojiten mbështjellje shtesë të fushës poloide për të kontrolluar kordonin e plazmës. Ato janë rrotullime unazore rreth boshtit vertikal të dhomës tokamak.

Vetëm ngrohja për shkak të rrjedhës së rrymës nuk është e mjaftueshme për të ngrohur plazmën në temperaturën e nevojshme për një reaksion termonuklear. Për ngrohje shtesë, rrezatimi i mikrovalës përdoret në të ashtuquajturat frekuenca rezonante (për shembull, që përkon me frekuencën e ciklotronit të elektroneve ose joneve) ose injektim i atomeve të shpejta neutrale.

Tokamaks dhe karakteristikat e tyre

Në total, në botë u ndërtuan rreth 300 tokamakë. Më të mëdhenjtë prej tyre janë renditur më poshtë.

BRSS dhe Rusia

T-3 është pajisja e parë funksionale.

T-4 - versioni i zgjeruar i T-3

T-7 është një instalim unik në të cilin, për herë të parë në botë, zbatohet një sistem magnetik relativisht i madh me një solenoid superpërçues të bazuar në niobat kallaji të ftohur nga helium i lëngshëm. Detyra kryesore e T-7 u përfundua: u përgatit perspektiva për gjeneratën e ardhshme të solenoideve superpërcjellëse për fuqinë termonukleare.

T-10 dhe PLT janë hapi tjetër në kërkimin termonuklear botëror, ato janë pothuajse të njëjtat madhësi, fuqi të barabartë, me të njëjtin faktor mbylljeje. Dhe rezultatet e marra janë identike: në të dy reaktorët u arrit temperatura e shkrirjes termonukleare, dhe vonesa sipas kriterit Lawson ishte 200 herë.

T-15 është një reaktor i sotëm me një solenoid superpërçues që jep një fushë induksioni prej 3.6 Tesla.

Kinë

LINDJA - ndodhet në qytetin Hefei, Provinca Anhui. Kriteri Lawson për nivelin e ndezjes u tejkalua në tokamak, koeficienti i prodhimit të energjisë ishte 1.25

7 miliardë tenge nga buxheti i vendit të investuara në ndërtim dhe 6 vite pushim të detyruar në kërkim të burimeve të financimit. Projekti kazak i shkencës së materialeve tokamak ishte në prag të mbylljes. Megjithatë, situata ka ndryshuar rrënjësisht falë drejtimeve të reja të bashkëpunimit ndërkombëtar. Gazetari Grigory Bedenko vizitoi Kurchatov dhe përgatiti një raport posaçërisht për Infromburo.kz në lidhje me perspektivat e kërkimit në fushën e shkrirjes termonukleare të kontrolluar.

Pak histori

Në mesin e shekullit të 20-të, vendet më të zhvilluara të botës e zotëruan shumë shpejt energjinë atomike dhe mësuan ta përdorin atë si në programet e armëve ushtarake, ashtu edhe për të prodhuar vëllime të mëdha të energjisë termike dhe elektrike për qëllime paqësore. Sidoqoftë, procesi i kalbjes së kontrolluar të bërthamës atomike doli të ishte jashtëzakonisht i pasigurt për mjedisin. Aksidentet në termocentralet bërthamore dhe problemi i madh i asgjësimit të mbetjeve të nivelit të lartë e kanë privuar këtë lloj energjie nga perspektiva e saj. Më pas, në mesin e shekullit, shkencëtarët hodhën hipotezën se shkrirja e kontrolluar termonukleare mund të ishte një alternativë. Ekspertët propozuan të përsëriten, në kushte tokësore, proceset që ndodhin në thellësi të yjeve dhe të mësosh jo vetëm t'i kontrollosh ato, por edhe të marrësh energji në sasitë e nevojshme për ekzistencën e qytetërimit. Siç dihet, shkrirja termonukleare bazohet në parimin e shkrirjes së bërthamave të lehta të hidrogjenit në ato më të rënda me formimin e heliumit. Në këtë rast, çlirohet shumë më tepër energji sesa gjatë procesit të kundërt, kur bërthamat e elementeve të rënda ndahen në ato më të lehta me çlirim të madh energjie dhe formimin e izotopeve të elementeve të ndryshëm të tabelës periodike. Nuk ka efekte të dëmshme ose mbetje të rrezikshme të prodhimit në reaktorët termonuklearë.

Diagrami i reaktorit termonuklear eksperimental ndërkombëtar ITER

Shtë kureshtare që vetë procesi i shkrirjes termonukleare u rikrijua mjaft lehtë për programet e armëve, por zhvillimi i projekteve paqësore të energjisë doli të ishte një detyrë pothuajse e pamundur. Gjëja kryesore për një bombë me hidrogjen është, në fakt, fillimi i procesit të shkrirjes, i cili ndodh në nanosekonda. Por një reaktor termonuklear me fuqi kërkon kushte të veçanta. Për të marrë energji, është e nevojshme të mbahet plazma me temperaturë të lartë në një gjendje të kontrolluar për një periudhë të caktuar kohe - ajo nxehet nga 10 në 30 milion gradë Celsius. Duke kufizuar një plazmë të tillë, krijohen kushte fizike për shkrirjen e bërthamave të deuteriumit të lehtë dhe tritiumit në ato të rënda. Për më tepër, duhet të lirohet më shumë energji sesa shpenzohet për ngrohjen dhe kufizimin e plazmës. Besohet se një puls i vetëm me shkrirje termonukleare të kontrolluar me një koeficient pozitiv të çlirimit të energjisë duhet të zgjasë të paktën 500 sekonda. Por për një kohë të tillë dhe në temperatura të tilla, asnjë material i vetëm strukturor i një reaktori premtues nuk do ta përballojë atë. Thjesht do të avullojë. Dhe shkencëtarët në mbarë botën kanë luftuar me problemin e shkencës së materialeve për më shumë se gjysmë shekulli pothuajse pa asnjë dobi.

Plazma e marrë në shkencën e materialeve të Kazakistanit tokamak / Materialet e ofruara nga Instituti i Energjisë Atomike të Qendrës Kombëtare Bërthamore të Republikës së Kazakistanit

Materialet e siguruara nga Instituti i Energjisë Atomike NNC RK

Kjo video me lëvizje shumë të ngadalta tregon formimin e plazmës në një tokamak kazakistani (materialet e ofruara nga Instituti i Energjisë Atomike të Qendrës Kombëtare Bërthamore të Republikës së Kazakistanit)

Formimi i plazmës në CFT

Çfarë janë tokamak dhe stellarator?

Shkurtesa është ruse, pasi instalimi i parë u zhvillua në Bashkimin Sovjetik. Një tokamak është një dhomë toroidale me mbështjellje magnetike. Një torus është një figurë gjeometrike tre-dimensionale (me fjalë të thjeshta në formë si një donut), dhe një toroid është një tel i hollë i plagosur rreth një kornize në formë torusi. Kështu, plazma me temperaturë të lartë në instalim formohet dhe mbahet në formën e një torusi. Në këtë rast, parimi kryesor i një tokamak është se plazma nuk ndërvepron me muret e dhomës, por varet në hapësirë, si të thuash, e mbajtur nga një fushë magnetike super-fuqishme. Skema për izolimin termik të plazmës dhe metoda e përdorimit të instalimeve të tilla për qëllime industriale u propozuan për herë të parë nga fizikani sovjetik Oleg Aleksandrovich Lavrentyev. Tokamak i parë u ndërtua në 1954 dhe për një kohë të gjatë ekzistonte vetëm në BRSS. Deri më sot, rreth dyqind pajisje të ngjashme janë ndërtuar në botë. Aktualisht, ekzistojnë dhoma toroidale për studimin e fuzionit të kontrolluar termonuklear në Rusi, SHBA, Japoni, Kinë dhe Bashkimin Evropian. Projekti më i madh ndërkombëtar në këtë fushë është ITER (më shumë për këtë më vonë). Iniciatori i ndërtimit të një tokamak të shkencës materiale në Kazakistan ishte kreu i Institutit Rus Kurchatov, Akademiku Evgeny Pavlovich Velikhov. Që nga viti 1975, ai drejtoi programin e reaktorit të fuzionit të kontrolluar sovjetik. Ideja për të ndërtuar një objekt në ish-vendin e testimit bërthamor Semipalatinsk u shfaq në vitin 1998, kur Velikhov u takua me Presidentin e Republikës së Kazakistanit Nursultan Nazarbayev.

Skema e izolimit të plazmës në një yjor / Materialet e ofruara nga Instituti i Energjisë Atomike NNC RK

Një yjor është një lloj reaktori alternativ ndaj një tokamak për kryerjen e shkrirjes termonukleare të kontrolluar. E shpikur nga astrofizikani amerikan Lyman Spitzer në vitin 1950. Emri vjen nga fjala latine stella (yll), që tregon ngjashmërinë e proceseve brenda yjeve dhe në një instalim të krijuar nga njeriu. Dallimi kryesor është se fusha magnetike për izolimin e plazmës nga muret e brendshme të dhomës krijohet tërësisht nga mbështjelljet e jashtme, gjë që lejon që ajo të përdoret në mënyrë të vazhdueshme. Plazma në yjor formohet në formën e një "donuti të thërrmuar" dhe, si të thuash, rrotullohet. Sot, ka yjore kërkimore në Rusi, Ukrainë, Gjermani dhe Japoni. Për më tepër, yjori më i madh në botë, Wendelstein 7-X (W7-X), u lançua së fundmi në Gjermani.

Tokamak shkenca e materialeve në Kazakistan / Grigory Bedenko

Të gjitha këto janë objekte kërkimore”, thotë kreu i grupit shkencor të projektit KTM. Stellarator ndryshon në konfigurimin e fushës magnetike të tij. Në një tokamak, një mbështjellje e ashtuquajtur toroidale dhe një mbështjellje e jashtme poloide përdoren për të përmbajtur plazmën. Por në një yjor është anasjelltas - ka një plagë dredha-dredha në një spirale, e cila kryen funksionet si toroidale ashtu edhe poloidale. Tokamak është fillimisht një instalim pulsues, dhe yjoruesi është një instalim më i palëvizshëm, domethënë, avantazhi i dredha-dredha të përdredhur ju lejon të mbani plazmën pafundësisht. Yjororët u zhvilluan në të njëjtën kohë me tokamakët, dhe në një kohë tokamaks morën drejtimin në parametrat e plazmës. “Proçesioni” i tokamakëve ka filluar në të gjithë botën. Por megjithatë, yjorët po zhvillohen. Ato janë të disponueshme në Japoni; ato janë ndërtuar së fundmi në Gjermani - Wendelstein 7-X (W7-X) u vu në punë. Ekziston një yjor në SHBA. Për më tepër, ekziston një numër i madh i të gjitha llojeve të instalimeve kërkimore me izolim pjesërisht magnetik të plazmës - këto janë kurthe të ndryshme. Ekziston edhe shkrirja termonukleare inerciale, kur një objektiv i vogël nxehet nga rrezatimi lazer. Ky është një shpërthim kaq i vogël termonuklear.

Njësitë dhe montimet e pjesës së sipërme të instalimit / Grigory Bedenko

E megjithatë, tokamak konsiderohet më premtuesi si një reaktor industrial termonuklear sot.

Ndërtesa teknologjike në të cilën ndodhet KTM / Grigory Bedenko

Tokamak në Kazakistan

Instalimi i Kazakistanit u ndërtua deri në vitin 2010 në një vend të caktuar posaçërisht në zonën administrative të ish vendit të provës Semipalatinsk - qyteti i Kurchatov. Kompleksi përbëhet nga disa ndërtesa teknologjike që strehojnë komponentë dhe montime tokamak, si dhe punëtori, dhoma për përpunimin e të dhënave, akomodimin e personelit, etj. Projekti u zhvillua në Rusi në bazë të Qendrës Kombëtare për Kërkime Termonukleare (Instituti Kurchatov). Dhoma e vakumit, bobinat magnetike, etj. u projektuan dhe u montuan në Institutin Kërkimor të Pajisjeve Elektrofizike me emrin. D.V. Evremov (Instituti Kërkimor EFA), automatizimi - në Institutin Politeknik Tomsk. Pjesëmarrësit në projekt nga pala ruse përfshinin gjithashtu Institutin Gjith-Rus të Rrymave (NII TVCH), TRINITI (Instituti Troitsk i Kërkimeve Inovative dhe Termonukleare). Projektuesi i përgjithshëm nga Kazakistani ishte Promenergoproekt LLP, dhe kompleksi Kazelektromontazh UPC u instalua drejtpërdrejt. Pasi përfundoi e gjithë puna, CTM u lançua dhe prodhoi plazmën e parë. Më pas financimi për projektin u ndal dhe tokamak u shndërrua në një atraksion turistik të shtrenjtë të teknologjisë së lartë për gjashtë vite të gjata.

Instalimi i pajisjeve të rikonstruksionit për KTM / Grigory Bedenko

Jeta e dytë e KTM

Projekti u rifillua në prag të EXPO 2017 në Astana. Ai përshtatet në mënyrë të përkryer me konceptin e Ekspozitës Botërore kushtuar energjisë së së ardhmes. Më 9 qershor, instalacioni u rifillua në prani të një numri të madh gazetarësh. Zhvilluesit rusë ishin të pranishëm në nisje. Siç u tha gjatë ceremonisë, qëllimi i fazës së parë të nisjes fizike është korrigjimi dhe testimi i sistemeve standarde KTM. Gjithashtu, sipas kreut të Qendrës Kombëtare Bërthamore të Republikës së Kazakistanit, Erlan Batyrbekov, në bazë të tokamak-ut kazak, shkencëtarë nga vende të ndryshme do të jenë në gjendje të kryejnë një gamë të gjerë kërkimesh, duke përfshirë modernizimin e reaktorëve industrialë ekzistues.

Konvertuesi AC për KTM ka një pamje futuriste / Grigory Bedenko

Më pas situata u zhvillua në një drejtim edhe më të favorshëm. Në Astana, gjatë Konferencës Ministrore dhe Forumit të VIII Ndërkombëtar të Energjisë, Kazakistani mori një ftesë zyrtare për t'u bërë një anëtar i asociuar i Organizatës Ndërkombëtare ITER. Reaktori Ndërkombëtar Eksperimental Termonuklear po krijohet nga një grup vendesh për të demonstruar mundësinë e përdorimit komercial të energjisë termonukleare, si dhe zgjidhjen e problemeve fizike dhe teknologjike në këtë fushë. Në thelb, ITER është një tokamak i madh dhe shumë kompleks. Në projekt marrin pjesë vendet e Bashkimit Evropian, India, Kina, Koreja e Jugut, Rusia, SHBA, Japonia dhe tani edhe vendi ynë. Nga Kazakistani, kërkimi mbi këtë temë do të kryhet nga specialistë nga Qendra Kombëtare Bërthamore, Instituti Kërkimor i Fizikës Eksperimentale dhe Teorike të Universitetit Kombëtar të Kazakistanit. Al-Farabi, Instituti i Fizikës Bërthamore, Uzina Metalurgjike Ulba, KazNIPIEnergoprom dhe Kazelektromash. ITER do të krijohet në Francë, 60 kilometra nga Marseja. Aktualisht, kostoja e projektit llogaritet në 19 miliardë euro. Nisja e instalimit është planifikuar për vitin 2025.

Baurzhan Chektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, kreu i grupit shkencor të projektit CTM

Më 10 qershor, u lidh një memorandum për hulumtimin e përbashkët ndërmjet ITER dhe KTM. Në kuadër të kësaj marrëveshjeje aktualisht është duke u përgatitur një projekt për ndërveprim me Organizatën Ndërkombëtare ITER. Ata janë të interesuar për instalimin tonë. Vetë projekti ITER nuk është gjithashtu i thjeshtë, ka një problem materialesh. Si pjesë e projektit, ne do të studiojmë tungstenin dhe beriliumin. Disa komponentë dhe pjesë të ITER do të bëhen nga ky material. Ne do t'i drejtojmë ato. I gjithë muri i parë i reaktorit ITER do të jetë i veshur me pllaka tungsteni dhe berilium. Vetë dhoma e vakumit përbëhet nga një diverter, në të cilin rrjedh plazma; aty është vendi më intensiv - 20 MW për metër katror. Do të ketë tungsten. Pjesa tjetër e murit të parë do të jetë e veshur me berilium.

KTM është një sistem shumë kompleks nga pikëpamja teknologjike / Grigory Bedenko

- Pse nëITERkaq të interesuar për tokamakun tonë?

Përveç shkencës së materialeve, detyra e instalimit tonë është të studiojmë fizikën e plazmës. CTM është unike për sa i përket raportit të pamjes. Ekziston një parametër i tillë, një nga kryesorët për tokamaks - raporti i rrezes së madhe nga boshti në qendrën e plazmës në atë të vogël, domethënë nga boshti i plazmës në skajet e tij. Për ne ky parametër është i barabartë me dy. Në të njëjtin ITER - 3.1. Të gjitha tokamakët që janë më shumë se 3 janë klasike. Ekziston një drejtim modern i tokamakëve - këto janë tokamaks sferike, në të cilat raporti i pamjes është më pak se 2 - një e gjysmë dhe madje edhe më i ulët - këto janë dhoma të ftohta, pothuajse sferike. Tokamaku ynë ndodhet, si të thuash, në një pozicion kufitar, midis tokamakëve klasikë dhe sferikë. Nuk ka pasur ende instalime të tilla dhe këtu, mendoj, do të bëhen kërkime interesante për sjelljen e plazmës. Instalime të tilla konsiderohen si reaktorë hibridë të së ardhmes, ose burime neutronike vëllimore.

Pjesa e poshtme e dhomës së vakumit KTM / Foto nga Grigory Bedenko

- Sa premtues është bashkëpunimi meITER?A do ta shpëtojë projektin?

Në vitin 2010, ka pasur një lëshim provë duke përdorur pajisjet dhe gatishmërinë që ishte në dispozicion në atë kohë. Detyra ishte të tregonte se instalimi "merr frymë" dhe është i aftë të funksionojë. Në të njëjtin vit të dhjetë na mbaruan fondet. Pastaj kishte gjashtë vjet pasivitet. Gjatë gjithë kësaj kohe luftuam për buxhetin. Ai ishte miratuar më parë në vitin 2006 dhe duhej të rishikohej plotësisht. Rreth 80% e pajisjeve tona janë të huaja dhe në kuadrin e ngjarjeve të njohura në sistemin financiar global, objekti është bërë dukshëm më i shtrenjtë se sa ishte planifikuar fillimisht. Në vitin 2016, pas rregullimit të buxhetit të projektit, u ndanë fonde shtesë. Instalimi i ka kushtuar tashmë buxhetit të Kazakistanit 7 miliardë tenge. Kjo përfshin punën e ndërtimit dhe instalimit, prodhimin e një dhome vakum dhe një sistem elektromagnetik.

Hulumtuesit duhet të jenë prijës të të gjitha profesioneve / Grigory Bedenko

- Çfarë po ndodh tani? Kishte një provë në qershor.

Tani krijimi i KTM është në fazën përfundimtare. Aktualisht është duke u zhvilluar instalimi dhe vënia në punë e sistemeve kryesore dhe ndihmëse. Ne kemi lidhur një marrëveshje me kontraktorin e përgjithshëm që ka fituar tenderin. Ka dy kompani, njëra është e angazhuar në punë ndërtimi dhe instalimi, e dyta - punë komisionimi. "KazIntelgroup" është i angazhuar në punë ndërtimi dhe instalimi, "Guarantuesi i cilësisë XXI Century" është i angazhuar në komisione. Ndërtimi i instalimit është planifikuar të përfundojë këtë vit. Më pas, para fundit të vitit do të bëhet një nisje fizike. Në vitin 2018, instalimi do të vihet në funksion dhe do të fillojnë eksperimentet në shkallë të plotë. Brenda 3 viteve, ne planifikojmë të arrijmë parametrat nominalë të projektimit që përfshihen në instalim, dhe më pas të hulumtojmë më tej materialet.

Në disa vende KTM ngjan me një anije aliene / Foto nga Grigory Bedenko

- Si ja kaloni me përzgjedhjen e punonjësve?

Shumica e specialistëve të rinj janë të diplomuar në universitetet e Kazakistanit, nga Ust-Kamenogorsk, Pavlodar dhe Semey. Disa u diplomuan nga universitetet ruse, për shembull, Universiteti Politeknik Tomsk. Çështja e personelit është akute. Sipas projektit duhet të jenë rreth 120 veta, të punojnë 40 veta, vitin e ardhshëm kur të vihet në funksion kompleksi atëherë do të ketë rekrutime. Por gjetja e specialistëve në këtë fushë është një detyrë më vete dhe e vështirë.

Dmitry Olkhovik, kreu i departamentit të sistemeve të automatizimit të eksperimenteve KTM

E veçanta e CFT është se ka një pajisje rrotulluese-diverter, domethënë të gjitha materialet në studim mund të rrotullohen brenda dhomës. Përveç kësaj, ekziston edhe një pajisje porta transporti. Kjo bën të mundur rikarikimin e materialeve në studim pa e ulur presionin e dhomës së vakumit. Në instalimet e tjera ka disa vështirësi: nëse dhoma ka rënë në presion, nevojiten të paktën një ose dy javë për ta përgatitur atë përsëri për lëshime të reja. Ne mund t'i zëvendësojmë me lehtësi mostrat e testimit në një fushatë, pa humbur kohë për uljen e presionit. Ky është avantazhi ekonomik i instalimit.

Disa lloje të pajisjeve të reja janë ende në paketimin origjinal / Grigory Bedenko

- Si do të kryhen eksperimentet?

Në instalime të tilla kryhen dy fushata eksperimentale në vit. Për shembull, ne kryejmë një fushatë në pranverë, pastaj në verë analizojmë të dhënat e marra dhe planifikojmë eksperimente të mëtejshme. Fushata e dytë zhvillohet në vjeshtë. Vetë fushata zgjat nga dy deri në tre muaj. Ka dy probleme kryesore në rrugën për të krijuar një reaktor të shkrirjes së energjisë. E para është zhvillimi i teknologjisë për prodhimin dhe mbajtjen e plazmës, e dyta është zhvillimi i materialeve, ato që adresojnë drejtpërdrejt plazmën, sepse plazma është me temperaturë të lartë. Rrjedhat e mëdha të energjisë fluturojnë dhe ndikojnë në material. Materiali, nga ana tjetër, shkatërrohet dhe shpërndahet. Dhe hyrja e këtyre grimcave në plazmë ka një efekt jashtëzakonisht negativ. Plazma është shumë e ndjeshme ndaj papastërtive. Ata ftohin plazmën dhe përfundimisht e shuajnë atë. Ekziston edhe tema e efekteve të neutroneve në materialet strukturore. Tokamak ynë do të testojë materialet për të përcaktuar rezistencën e tyre ndaj nxehtësisë. Kjo do të thotë se ato nuk mund të spërkaten dhe janë të pajtueshme me plazmën. Tungsteni dhe beriliumi do të studiohen si materiale të tilla. Ne do t'i testojmë ato, do të shohim se si sillen në kushte të prurjeve të larta të plazmës, njësoj si në ITER.

Rryma të mëdha të energjisë përdoren në KTM / Grigory Bedenko

- Çfarë pune po kryhet për rinovimin e KTM-së?

Instalimi i sistemeve teknologjike për sisteme vakum, sisteme ftohjeje. Ky është një instalim elektrik shumë kompleks. Për të marrë një fushë magnetike, duhet të merrni shumë energji nga rrjeti. Ekziston një kompleks i caktuar për konvertimin e energjisë. Duke u nisur nga sistemi i furnizimit me energji pulsuese, përdoren shumë transformatorë bartës, dhe përdoret një kompleks konvertues terristor, domethënë një sistem mjaft kompleks për sa i përket funksionimit, kontrollit dhe sistemi është shumë i shpërndarë. Kjo do të thotë, e gjithë kjo punë tani po kryhet, furnizimet me energji elektrike po rregullohen.

Puna është shumë e mundimshme / Grigory Bedenko

Puna me pajisje të reja KTM

Instalime të tilla kërkojnë një sasi shumë të madhe të energjisë elektrike për të funksionuar. A do të konsumojë shumë KTM?

Kur funksionon në modalitetin nominal, marrja e energjisë elektrike nga rrjeti do të jetë rreth 80-100 MW. Për një eksperiment. Ekziston edhe një sistem standard i ngrohjes shtesë, i cili gjithashtu do të pompojë energji nga rrjeti.

Sistemi i furnizimit me energji elektrike me spirale magnetike / Grigory Bedenko

Dihet se në Kazakistan një pjesë e konsiderueshme e popullsisë ka radiofobi. Këto janë pasojat socio-psikologjike të testeve bërthamore. Sa i sigurt do të jetë kërkimi juaj?

Besohet se shkrirja termonukleare e kontrolluar është një burim energjie alternative miqësore me mjedisin. Aksidentet si Çernobili, Fukushima, etj., thjesht fizikisht nuk mund të ndodhin këtu. Gjëja më e rëndë që mund të ndodhë është depresioni i dhomës së vakumit ku ndodhet plazma. Në këtë rast, plazma shuhet dhe këto pak gram karburant termonuklear që ishte në dhomë rrjedhin jashtë.

Pjesa e sipërme e instalimit / Grigory Bedenko

Dhe disa fakte më interesante për ITER, projekti më i madh ndërkombëtar në historinë e një kërkimi të tillë, tek i cili ekspertët tanë kanë shumë shpresa. Siç u përmend më lart, ITER është një organizatë ndërkombëtare që përfshin më shumë se një duzinë vendesh: Rusia, Franca, Japonia, Kina, India, Bashkimi Evropian, Kanadaja dhe SHBA. Është interesante se kontributi i secilit vend në projekt është bërë në formën e produkteve të gatshme. Për shembull, Rusia prodhon disa mbështjellje kriogjenike të bazuara në superpërçues, pajisje të energjisë, etj.

Puna për vendosjen e sistemit të furnizimit me energji elektrike në KTM / Grigory Bedenko

ITER nuk është ende një instalim energjetik; ai nuk do të sigurojë energji. Ky është një demonstrim teknologjik i fizibilitetit të prodhimit të plazmës me prodhim energjie. Pas ITER, kur të zhvillohen teknologjitë, do të krijohet një reaktor demonstrues që tashmë do të sigurojë energji. Kjo do të ndodhë diku në vitet 40-50 të shekullit të 21-të. Kjo është, 100 vjet pas fillimit të kërkimit mbi këtë temë.

Dhoma e kontrollit të KTM / Grigory Bedenko

Projekti ITER ka rreth 500 sekonda funksionim të vazhdueshëm. Reaktor pulsi. Në parim sigurohet deri në 1000 sek. - si do të shkojë? Kur të gjitha teknologjitë të jenë përzgjedhur, materialet dhe dizajni të jenë miratuar, DEMO do të krijohet më pas. Tashmë është vendosur që ky reaktor të ndërtohet në Japoni.

Njësitë KTM / Grigory Bedenko

Me sa duket, parimi i funksionimit të një reaktori termonuklear të energjisë do të jetë si më poshtë. Elementi i parë, i cili do të thithë energjinë termike të plazmës, do të përmbajë kanale për shkëmbimin e nxehtësisë brenda vetes. Atëherë gjithçka është e njëjtë si në një termocentral konvencional - ngrohja e ftohësit të qarkut dytësor, rrotullimi i turbinave dhe gjenerimi i energjisë elektrike.

Pamje e përgjithshme e sallës së reaktorit KTM / Grigory Bedenko

Lansimi fizik i ITER do të bëhet në vitin 2025. Do të vihet në funksion në vitin 2028. Bazuar në rezultatet e punës, po shqyrtohet opsioni i krijimit të reaktorëve hibridë - ku neutronet nga bashkimi termonuklear përdoren për të ndarë karburantin bërthamor.

Për të arritur kushtet e nevojshme për ndodhjen. Plazma në një tokamak mbahet jo nga muret e dhomës, të cilat nuk janë në gjendje të përballojnë temperaturën e nevojshme për reaksionet termonukleare, por nga një fushë magnetike e kombinuar posaçërisht - një fushë toroidale e jashtme dhe poloidale e rrymës që rrjedh nëpër plazmë. kordonin. Krahasuar me instalimet e tjera që përdorin një fushë magnetike për të kufizuar plazmën, përdorimi i rrymës elektrike është tipari kryesor i një tokamak. Rryma në plazmë siguron ngrohjen e plazmës dhe ruajtjen e ekuilibrit të filamentit të plazmës në dhomën e vakumit. Në këtë mënyrë, një tokamak, në veçanti, ndryshon nga një yjor, i cili është një nga skemat alternative të izolimit në të cilin të dyja fushat toroidale dhe poloidale krijohen duke përdorur mbështjellje magnetike të jashtme.

Reaktori Tokamak aktualisht po zhvillohet si pjesë e projektit shkencor ndërkombëtar ITER.

Histori

Aktualisht, tokamak konsiderohet pajisja më premtuese për zbatimin e shkrirjes termonukleare të kontrolluar.

Pajisja

Një tokamak është një dhomë vakumi toroidale në të cilën mbështjellen mbështjelljet për të krijuar një fushë magnetike toroidale. Ajri fillimisht pompohet nga dhoma e vakumit dhe më pas mbushet me një përzierje deuteriumi dhe tritiumi. Më pas duke përdorur induktor në dhomë krijohet një fushë elektrike vorbull. Induktori është dredha-dredha kryesore e një transformatori të madh, në të cilin dhoma tokamak është dredha-dredha dytësore. Fusha elektrike shkakton rrjedhjen e rrymës dhe ndezjen në dhomën e plazmës.

Rryma që rrjedh nëpër plazmë kryen dy detyra:

ngroh plazmën në të njëjtën mënyrë si çdo përcjellës tjetër (ngrohja omike);
krijon një fushë magnetike rreth vetes. Kjo fushë magnetike quhet poloide(d.m.th., i drejtuar përgjatë vijave që kalojnë polet sistemi i koordinatave sferike).

Prania e një fushe poloidale është e nevojshme për izolim të qëndrueshëm të plazmës në një sistem të tillë. Meqenëse krijohet duke rritur rrymën në induktor dhe nuk mund të jetë e pafundme, koha e ekzistencës së qëndrueshme të plazmës në një tokamak klasik është ende e kufizuar në disa sekonda. Për të kapërcyer këtë kufizim, janë zhvilluar metoda shtesë të mbajtjes së rrymës. Për këtë qëllim, mund të përdoret injektimi në plazmë i atomeve neutrale të përshpejtuara të deuteriumit ose tritiumit ose rrezatimi i mikrovalës.

Përveç mbështjelljeve toroidale, kërkohen edhe ato shtesë për të kontrolluar kordonin e plazmës. mbështjellje të fushës poloide. Ato janë rrotullime unazore rreth boshtit vertikal të dhomës tokamak.

Tokamaks dhe karakteristikat e tyre

Në total, në botë u ndërtuan rreth 300 tokamakë. Më të mëdhenjtë prej tyre janë renditur më poshtë.

BRSS dhe Rusia

Kazakistani

Tokamak i Kërkimit të Materialeve të Kazakistanit (KTM) është një instalim eksperimental termonuklear për kërkimin dhe testimin e materialeve në regjimet e ngarkesës së energjisë afër