Ano ang tokamak? Ang thermonuclear reactor ay magbubukas ng isang bagong panahon para sa sangkatauhan. Teknokratikong kilusan Pag-install ng Tokamak

isang aparato para sa pagsasagawa ng isang thermonuclear fusion reaction sa mainit na plasma sa isang quasi-stationary mode, kung saan ang plasma ay nilikha sa isang toroidal chamber at pinatatag ng isang magnetic field. Ang layunin ng pag-install ay i-convert ang intranuclear energy sa init at pagkatapos ay sa kuryente. Ang salitang "tokamak" mismo ay isang pagdadaglat para sa pangalang "toroidal magnetic chamber," ngunit pinalitan ng mga tagalikha ng pag-install ang "g" sa dulo ng isang "k" upang hindi mapukaw ang mga asosasyon sa isang bagay na mahiwagang.

Ang isang tao ay nakakakuha ng atomic energy (kapwa sa isang reactor at sa isang bomba) sa pamamagitan ng paghahati sa nuclei ng mabibigat na elemento sa mas magaan. Ang enerhiya sa bawat nucleon ay maximum para sa bakal (ang tinatawag na "iron maximum"), at mula noon maximum sa gitna, pagkatapos ay ilalabas ang enerhiya hindi lamang sa panahon ng pagkabulok ng mabibigat na elemento, kundi pati na rin sa panahon ng kumbinasyon ng mga magaan na elemento. Ang prosesong ito ay tinatawag na thermonuclear fusion at nangyayari sa isang hydrogen bomb at isang fusion reactor. Maraming kilalang thermonuclear reactions at fusion reactions. Ang mapagkukunan ng enerhiya ay maaaring yaong kung saan mayroong murang gasolina, at posible ang dalawang magkaibang paraan ng pagsisimula ng reaksyon ng pagsasanib.

Ang unang paraan ay "paputok": ang bahagi ng enerhiya ay ginugol sa pagdadala ng napakaliit na halaga ng sangkap sa kinakailangang paunang estado, isang reaksyon ng synthesis ang nangyayari, at ang inilabas na enerhiya ay na-convert sa isang maginhawang anyo. Sa totoo lang, ito ay isang bomba ng hydrogen, tumitimbang lamang ng isang milligram. Ang atomic bomb ay hindi maaaring gamitin bilang pinagmumulan ng paunang enerhiya; hindi ito "maliit". Samakatuwid, ipinapalagay na ang isang millimeter tablet ng deuterium-tritium ice (o isang glass sphere na may naka-compress na timpla ng deuterium at tritium) ay ii-irradiated mula sa lahat ng panig ng laser pulses. Ang density ng enerhiya sa ibabaw ay dapat na ang tuktok na layer ng tablet, na naging plasma, ay pinainit sa isang temperatura kung saan ang presyon sa mga panloob na layer at ang pag-init ng mga panloob na layer ng tablet mismo ay nagiging sapat para sa ang reaksyon ng synthesis. Sa kasong ito, ang pulso ay dapat na napakaikli na ang sangkap, na naging plasma na may temperatura na sampung milyong degrees sa isang nanosecond, ay walang oras upang lumipad nang hiwalay, ngunit pinindot sa loob ng tablet. Ang panloob na ito ay naka-compress sa isang densidad na isang daang beses na mas malaki kaysa sa mga solido at pinainit sa isang daang milyong degree.

Pangalawang paraan. Ang mga panimulang sangkap ay maaaring pinainit nang medyo mabagal - sila ay magiging plasma, at pagkatapos ay ang enerhiya ay maaaring maipasok dito sa anumang paraan, hanggang sa ang mga kondisyon para sa pagsisimula ng reaksyon ay nakamit. Para maganap ang isang thermonuclear reaction sa pinaghalong deuterium at tritium at makakuha ng positibong output ng enerhiya (kapag ang enerhiya na inilabas bilang resulta ng isang thermonuclear reaction ay mas malaki kaysa sa enerhiya na ginugol sa reaksyong ito), kinakailangan na lumikha ng isang plasma. na may density na hindi bababa sa 10 14 particle/cm 3 (10 5 atm.), at init ito sa humigit-kumulang 10 9 degrees, habang ang plasma ay nagiging ganap na ionized.

Ang ganitong pag-init ay kinakailangan upang ang nuclei ay makalapit sa isa't isa, sa kabila ng pagtanggi ng Coulomb. Maaari itong ipakita na upang makakuha ng enerhiya, ang estado na ito ay dapat na mapanatili nang hindi bababa sa isang segundo (ang tinatawag na "Lawson criterion"). Ang isang mas tumpak na pagbabalangkas ng Lawson criterion: ang produkto ng konsentrasyon at ang oras ng pagpapanatili ng estado na ito ay dapat na nasa pagkakasunud-sunod ng 10 15 cm cm 3. Ang pangunahing problema ay ang katatagan ng plasma: sa isang segundo magkakaroon ito ng oras upang palawakin nang maraming beses, hawakan ang mga dingding ng silid at palamig.

Noong 2006, sinimulan ng internasyonal na komunidad ang pagtatayo ng isang demonstration reactor. Ang reaktor na ito ay hindi magiging isang tunay na mapagkukunan ng enerhiya, ngunit ito ay idinisenyo sa paraang pagkatapos nito kung ang lahat ay gumagana nang maayos posible na simulan ang pagtatayo ng mga "enerhiya", i.e. thermonuclear reactor na nilayon para isama sa power grid. Ang pinakamalaking pisikal na mga proyekto (mga accelerator, mga teleskopyo ng radyo, mga istasyon ng kalawakan) ay nagiging napakamahal na kung isasaalang-alang ang dalawang mga pagpipilian ay lumalabas na hindi kayang bayaran kahit na para sa sangkatauhan, na pinag-isa ang mga pagsisikap nito, kaya kailangang pumili.

Ang simula ng trabaho sa kinokontrol na thermonuclear fusion ay dapat na napetsahan noong 1950, nang ang I.E. Tamm at A.D. Sakharov ay dumating sa konklusyon na ang kinokontrol na thermonuclear fusion (CTF) ay maaaring maisakatuparan gamit ang magnetic confinement ng mainit na plasma. Sa paunang yugto, ang trabaho sa ating bansa ay isinasagawa sa Kurchatov Institute sa ilalim ng pamumuno ni L.A. Artsimovich. Ang mga pangunahing problema ay maaaring nahahati sa dalawang grupo: mga problema ng kawalang-tatag ng plasma at mga problema sa teknolohiya (purong vacuum, paglaban sa radiation, atbp.) Ang unang tokamaks ay nilikha noong 1954-1960, ngayon higit sa 100 tokamak ang naitayo sa mundo. Noong 1960s, ipinakita na ang pag-init sa pamamagitan ng pagpasa ng kasalukuyang ("ohmic heating") lamang ay hindi maaaring magdala ng plasma sa mga temperatura ng pagsasanib. Ang pinaka-natural na paraan upang madagdagan ang nilalaman ng enerhiya ng plasma ay tila ang paraan ng panlabas na pag-iniksyon ng mabilis na mga neutral na particle (atom), ngunit noong 1970s lamang ay nakamit ang kinakailangang antas ng teknikal at ang mga tunay na eksperimento ay isinagawa gamit ang mga injector. Sa ngayon, ang pag-init ng mga neutral na particle sa pamamagitan ng iniksyon at electromagnetic radiation sa hanay ng microwave ay itinuturing na pinaka-promising. Noong 1988, ang Kurchatov Institute ay nagtayo ng isang pre-reactor generation na tokamak T-15 na may superconducting windings. Mula noong 1956, nang sa pagbisita ni N.S. Khrushchev sa Great Britain I.V. Kurchatov ay inihayag ang pagpapatupad ng mga gawaing ito sa USSR. Ang gawain sa lugar na ito ay pinagsama-samang isinasagawa ng ilang mga bansa. Noong 1988, ang USSR, USA, European Union at Japan ay nagsimulang magdisenyo ng unang eksperimentong tokamak reactor (ang pag-install ay itatayo sa France).

Ang mga sukat ng dinisenyo na reaktor ay 30 metro ang lapad at 30 metro ang taas. Ang inaasahang panahon ng pagtatayo ng pag-install na ito ay walong taon, at ang buhay ng pagpapatakbo ay 25 taon. Ang dami ng plasma sa pag-install ay halos 850 metro kubiko. Kasalukuyang 15 megaamps ang plasma. Ang thermonuclear power ng installation ay 500 Megawatts at pinananatili sa loob ng 400 segundo. Sa hinaharap, ang oras na ito ay inaasahang tataas sa 3000 segundo, na gagawing posible na magsagawa ng unang tunay na pag-aaral ng physics ng thermonuclear fusion ("thermonuclear combustion") sa plasma sa ITER reactor.

Lukyanov S.Yu. Mainit na plasma at kinokontrol na nuclear fusion. M., Nauka, 1975
Artsimovich L.A., Sagdeev R.Z. Plasma physics para sa physicist. M., Atomizdat, 1979
Hegler M., Christiansen M. Panimula sa Controlled Fusion. M., Mir, 1980
Killeen J. Kinokontrol na thermonuclear fusion. M., Mir, 1980
Boyko V.I. Kinokontrol na thermonuclear fusion at mga problema ng inertial thermonuclear fusion. Soros na pang-edukasyon na magasin. 1999, blg. 6

TOKAMAK(pinaikling mula sa "toroidal chamber na may magnetic coils") - isang aparato para sa paghawak ng mataas na temperatura gamit ang isang malakas na magnet. mga patlang. Ang ideya ng T. ay ipinahayag noong 1950 ng mga akademiko na sina I. E. Tamm at A. D. Sakharov; unang mga eksperimento Ang pananaliksik sa mga sistemang ito ay nagsimula noong 1956.

Ang prinsipyo ng aparato ay malinaw mula sa Fig. 1. Ang plasma ay nilikha sa isang toroidal vacuum chamber, na nagsisilbing tanging closed turn ng pangalawang winding ng transpormer. Kapag pumasa sa isang kasalukuyang na tumataas sa paglipas ng panahon sa pangunahing paikot-ikot ng isang transpormer 1 sa loob ng vacuum chamber 5 isang vortex longitudinal electric force ay nalikha. patlang. Kapag ang paunang gas ay hindi masyadong malaki (karaniwang hydrogen o mga isotopes nito ang ginagamit), nangyayari ang kuryente nito. pagkasira at ang silid ng vacuum ay puno ng plasma na may kasunod na pagtaas sa isang malaking longhitudinal na kasalukuyang Ip. Sa moderno malaking T. ang kasalukuyang sa plasma ay marami. milyong amperes. Ang kasalukuyang ito ay lumilikha ng sarili nitong poloidal (sa eroplano ng plasma cross-section) magnetic field. patlang SA q. Bilang karagdagan, ang isang malakas na longitudinal magnet ay ginagamit upang patatagin ang plasma. patlang B f, nilikha gamit ang espesyal windings ng toroidal magnet. mga patlang. Ito ay ang kumbinasyon ng toroidal at poloidal magnets. tinitiyak ng mga patlang ang matatag na pagkakulong ng mataas na temperatura na plasma (tingnan. Mga sistema ng Toroidal), kailangan para sa pagpapatupad kinokontrol na thermonuclear fusion.

kanin. 1. Tokamak diagram: 1 - pangunahing paikot-ikot na transtaga-format; 2 - toroidal magnetic field coils; 3 - liner, manipis na pader na panloob na silid para sa pag-ukitpagbawas ng toroidal electric field; 4 - reelki poloidal magnetic field; 5 - vacuum kamera; b-iron core (magnetic core).

Mga limitasyon sa pagpapatakbo. Magn. ang T patlang ay humahawak ng mataas na temperatura ng plasma, ngunit sa loob lamang ng ilang mga limitasyon ng pagbabago sa mga parameter nito. Ang unang 2 paghihigpit ay nalalapat sa kasalukuyang plasma Ip at ang kanyang cf. density P, na ipinahayag sa mga yunit ng bilang ng mga particle (mga electron o ion) bawat 1 m 3. Ito ay lumiliko na para sa isang naibigay na halaga ng toroidal magnet. field, ang kasalukuyang plasma ay hindi maaaring lumampas sa isang tiyak na limitasyon ng halaga, kung hindi man ang plasma cord ay magsisimulang mag-twist kasama ang isang helical na linya at kalaunan ay bumagsak: ang tinatawag na. kasalukuyang pagkagambala kawalang-tatag. Upang makilala ang naglilimita sa kasalukuyang, ginagamit ang isang koepisyent. stock q sa pamamagitan ng kawalang-tatag ng tornilyo, na tinutukoy ng kaugnayan q = 5B j a 2 /RI p. Dito A- maliit, R- malaking radius ng plasma cord, B j - toroidal mag. patlang, Ip- kasalukuyang sa plasma (ang mga sukat ay sinusukat sa metro, magnetic field - sa teslas, kasalukuyang - sa MA). Ang isang kinakailangang kondisyon para sa katatagan ng isang haligi ng plasma ay ang hindi pagkakapantay-pantay q>], tinatawag na. k r i t e r i m K r u-s k ala - Shafranova. Ipinapakita ng mga eksperimento na ang isang mapagkakatiwalaang stable holding mode ay nakakamit lamang sa mga halaga ng .

Mayroong 2 limitasyon para sa density - mas mababa at itaas. Ibaba Ang limitasyon ng density ay nauugnay sa pagbuo ng tinatawag na. pinabilis, o takas na mga electron. Sa mababang density, ang dalas ng mga banggaan ng mga electron na may mga ion ay nagiging hindi sapat upang maiwasan ang kanilang paglipat sa mode ng tuloy-tuloy na acceleration sa longitudinal electric field. patlang. Ang mga electron na pinabilis sa mataas na enerhiya ay maaaring magdulot ng panganib sa mga elemento ng vacuum chamber, kaya ang plasma density ay pinili nang napakataas na walang pinabilis na mga electron. Sa kabilang banda, sa isang sapat na mataas na density, ang plasma confinement mode ay muling nagiging hindi matatag dahil sa radiation at atomic na mga proseso sa hangganan ng plasma, na humahantong sa isang pagpapaliit ng kasalukuyang channel at ang pagbuo ng helical instability ng plasma. Nangunguna. ang limitasyon ng density ay nailalarawan sa mga walang sukat na parameter My-crayfish M=nR/B j at hugella H=nqR/B j (narito ang average sa cross section ay ang density ng elektron n sinusukat sa mga yunit ng 10 20 particles/m 3). Para sa stable plasma confinement ito ay kinakailangan na ang mga numero M At H hindi lumampas sa ilang kritikal mga halaga.

Kapag uminit ang plasma at tumaas ang presyon nito, lilitaw ang isa pang limitasyon, na nagpapakilala sa pinakamataas na matatag na halaga ng presyon ng plasma, p = n(T e +T i), Saan T e, T i-electronic at ion na temperatura. Ang limitasyong ito ay ipinapataw sa halaga ng b na katumbas ng ratio cf. presyon ng plasma sa magnetic pressure. mga patlang; Ang isang pinasimple na expression para sa paglilimita ng halaga b ay ibinigay ng relasyon ni Troyon b c =gI p /aB j, saan g-numerical factor na katumbas ng humigit-kumulang 3. 10 -2.

Thermal insulation. Ang posibilidad ng pagpainit ng plasma sa napakataas na temperatura ay dahil sa ang katunayan na sa isang malakas na magnetic field. patlang ng tilapon ng pagsingil ang mga particle ay parang mga spiral na sugat sa isang magnetic line. mga patlang. Dahil dito, ang mga electron at ion ay nananatili sa loob ng plasma sa loob ng mahabang panahon. At dahil lamang sa mga banggaan at maliliit na pagbabagu-bago ng kuryente. at mag. field, ang enerhiya ng mga particle na ito ay maaaring ilipat sa mga dingding sa anyo ng isang daloy ng init. Tinutukoy ng parehong mga mekanismong ito ang laki ng mga flux ng pagsasabog. Magnetic na kahusayan Ang thermal insulation ng plasma ay nailalarawan sa pamamagitan ng enerhiya. habang buhay t E = W/P, Saan W-kabuuang nilalaman ng enerhiya ng plasma, a P- plasma heating power na kinakailangan upang mapanatili ito sa isang nakatigil na estado. Halaga t E ay maaari ding ituring bilang ang katangian ng oras ng paglamig ng plasma kung ang kapangyarihan ng pag-init ay biglang pinatay. Sa isang tahimik na plasma, ang mga daloy ng mga particle at init sa mga dingding ng silid ay nalikha dahil sa magkapares na banggaan ng mga electron at ion. Ang mga daloy na ito ay kinakalkula ayon sa teorya na isinasaalang-alang ang mga totoong trajectory ng singil. particle bawat mag. field T. Tinatawag ang kaukulang teorya ng mga proseso ng pagsasabog. neoclassical (tingnan Mga proseso ng migrasyon Sa totoong plasma T. palaging may maliliit na pagbabago ng mga field at particle flux, samakatuwid ang mga tunay na antas ng init at particle flux ay kadalasang higit na lumalampas sa mga hula ng mga neoclassical. mga teorya.

Mga eksperimento na isinagawa sa maraming T. decomp. mga hugis at sukat, ginawang posible na ibuod ang mga resulta ng mga pag-aaral ng mga mekanismo ng paglilipat sa anyo ng kaukulang empirical na pag-aaral. dependencies. Sa partikular, natagpuan ang mga dependency sa enerhiya. habang buhay t E mula sa pangunahing mga parameter ng plasma para sa decomp. hawakan ang mod. Ang mga dependency na ito ay tinatawag s k e l i n g a m i; matagumpay na ginagamit ang mga ito upang mahulaan ang mga parameter ng plasma sa mga bagong kinomisyong pag-install.

Self-organisasyon ng plasma. Sa plasma T. palaging may mga mahina na nonlinear, na nakakaimpluwensya sa mga profile ng pamamahagi ng temperatura, density ng butil at kasalukuyang density kasama ang radius, na parang kinokontrol nila ang mga ito. Sa partikular, sa gitna. Ang mga lugar ng plasma cord ay madalas na naroroon na tinatawag na. sawtooth oscillations na sumasalamin sa isang pana-panahong paulit-ulit na proseso ng unti-unting paglala at pagkatapos ay isang matalim na pagyupi ng profile ng temperatura. Ang mga hugis ng ramp na oscillations ay pumipigil sa pag-urong ng kasalukuyang sa magnet. torus axis (tingnan Pag-urong ng paglabas ng gas). Bilang karagdagan, sa T. paminsan-minsan, ang mga helical mode ay nasasabik (ang tinatawag na t i r i n g mode), na sinusunod sa labas ng kurdon sa anyo ng mga low-frequency na magnetic wave. pag-aatubili. Ang mga nakakapagod na mode ay nag-aambag sa pagtatatag ng isang mas matatag na pamamahagi ng kasalukuyang density sa kahabaan ng radius. Kung ang plasma ay hindi maingat na pinangangasiwaan, ang mga tearing mode ay maaaring lumakas nang napakalakas na ang mga magnetic disturbance na dulot ng mga ito ay maaaring ang mga patlang ay sumisira ng mga magnet. ibabaw sa buong volume ng plasma cord, magnetic. ang pagsasaayos ay nawasak, ang enerhiya ng plasma ay inilabas sa mga dingding at ang kasalukuyang nasa plasma ay humihinto dahil sa malakas na paglamig nito (tingnan. Pagpunit ng kawalang-tatag).

Bilang karagdagan sa mga volumetric oscillations na ito, mayroong mga oscillation mode na naisalokal sa hangganan ng column ng plasma. Ang mga mode na ito ay napaka-sensitibo sa estado ng plasma sa pinaka-periphery; ang kanilang pag-uugali ay kumplikado ng mga proseso ng atom. Ext. at panloob Ang mga mode ng panginginig ng boses ay maaaring malakas na makaimpluwensya sa mga proseso ng paglipat ng init at butil; humantong sila sa posibilidad ng paglipat ng plasma mula sa isang magnetic mode. thermal insulation sa isa pa at likod. Kung sa plasma T. ang pamamahagi ng bilis ng butil ay ibang-iba mula sa , pagkatapos ay lumitaw ang posibilidad para sa pagbuo ng kinetic. mga kawalang-tatag. Halimbawa, sa pagsilang ng isang malaking bilang ng mga runaway electron, ang tinatawag na kawalang-tatag ng fan, na humahantong sa pagbabago ng longitudinal electron energy sa transverse energy. Kinetic. nagkakaroon din ng mga kawalang-katatagan sa pagkakaroon ng mga high-energy ions na lumilitaw kapag magkatugma. pag-init ng plasma.

Pag-init ng plasma. Ang plasma ng anumang T. ay awtomatikong pinainit dahil sa init ng Joule mula sa kasalukuyang dumadaloy dito. Ang paglabas ng enerhiya ng Joule ay sapat upang makakuha ng temperatura ng ilang. milyong digri Para sa mga layunin ng kinokontrol na thermonuclear fusion, ang mga temperatura na >10 8 K ay kailangan, samakatuwid ang lahat ng malalaking T. ay pupunan ng makapangyarihang mga sistema pag-init ng plasma. Para sa layuning ito, ginagamit ang alinman sa mga electric magnet. nabubulok ang mga alon mga saklaw, o idirekta ang mabilis na mga particle sa plasma. Para sa high-frequency na pag-init ng plasma, maginhawang gumamit ng mga resonance, na tumutugma sa panloob. umindayog mga proseso sa plasma. Halimbawa, ito ay maginhawa upang init ang bahagi ng ion sa hanay ng mga harmonika ng mga cyclotron frequency o basic. mga plasma ions, o mga espesyal na napiling additive ions. Ang mga electron ay pinainit ng electron cyclotron resonance.

Kapag nagpapainit ng mga ion na may mabilis na mga particle, ang makapangyarihang mga sinag ng mga neutral na atom ay karaniwang ginagamit. Ang ganitong mga beam ay hindi nakikipag-ugnayan sa magnetism. field at tumagos nang malalim sa plasma, kung saan sila ay na-ionize at nakukuha ng magnetism. patlang T.

Sa tulong ng mga karagdagang paraan ng pag-init, posibleng itaas ang temperatura ng plasma T. sa >3·10 8 K, na sapat na para mangyari ang isang malakas na thermonuclear reaction. Sa hinaharap na mga T.-reactor na gagawin, ang pag-init ng plasma ay isasagawa ng mga high-energy alpha particle na nagmumula sa fusion reaction ng deuterium at tritium nuclei.

Nakatigil na tokamak. Karaniwan, ang kasalukuyang dumadaloy sa plasma lamang sa pagkakaroon ng isang eddy electric current. field na nilikha sa pamamagitan ng pagtaas ng magnetic field. daloy sa inductor. Ang inductive na mekanismo para sa pagpapanatili ng kasalukuyang ay limitado sa oras, kaya ang kaukulang mode ng plasma confinement ay pulsed. Gayunpaman, ang pulsed mode ay hindi lamang ang posible; ang pag-init ng plasma ay maaari ding gamitin upang mapanatili ang kasalukuyang kung, kasama ng enerhiya, ang isang pulso na naiiba para sa iba't ibang bahagi ng plasma ay inilipat din sa plasma. Ang non-inductive current maintenance ay pinadali dahil sa pagbuo ng kasalukuyang ng plasma mismo sa panahon ng diffusion expansion nito patungo sa mga dingding (bootstrap effect). Ang epekto ng bootstrap ay hinulaang ng mga neoclassical na siyentipiko. teorya at pagkatapos ay nakumpirma sa eksperimentong paraan. Ipinakikita ng mga eksperimento na ang T. plasma ay maaaring panatilihing nakatigil, at ang Ch. pagsisikap sa praktikal Ang pagbuo ng nakatigil na mode ay naglalayong dagdagan ang kahusayan ng kasalukuyang pagpapanatili.

Diverter, kontrol ng karumihan. Para sa mga layunin ng kontroladong thermonuclear fusion, kinakailangan ang napakadalisay na plasma batay sa mga isotopes ng hydrogen. Upang limitahan ang admixture ng iba pang mga ions sa plasma, sa unang bahagi ng T. ang plasma ay limitado sa tinatawag na. l i m i t e r o m (Larawan 2, A), ibig sabihin, isang dayapragm na pumipigil sa plasma na madikit sa malaking ibabaw ng silid. Sa moderno T. isang mas kumplikadong configuration ng divertor ang ginagamit (Larawan 2, b), nilikha ng poloidal magnet coils. mga patlang. Ang mga coil na ito ay kinakailangan kahit na para sa plasma na may isang bilog na cross-section: sa kanilang tulong, ang vertical magnetic component ay nilikha. mga patlang, mga gilid kapag nakikipag-ugnayan sa pangunahing. Ang kasalukuyang plasma ay hindi nagpapahintulot sa plasma coil na ihagis sa dingding sa direksyon ng isang malaking radius. Sa pagsasaayos ng divertor, ang mga pagliko ng poloidal magnet. ang mga patlang ay matatagpuan upang ang plasma cross section ay pinahaba sa patayong direksyon. Sa parehong oras, sarado magnetic ang mga ibabaw ay pinapanatili lamang sa loob; sa labas, ang mga linya ng puwersa nito ay pumapasok sa loob ng mga silid ng divertor, kung saan ang mga daloy ng plasma na dumadaloy mula sa pangunahing ibabaw ay neutralisado. dami. Sa mga silid ng divertor, posibleng mapahina ang pagkarga mula sa plasma sa mga plato ng divertor dahil sa karagdagan. paglamig ng plasma sa panahon ng pakikipag-ugnayan ng atom.

kanin. 2. Cross section ng plasma na may circular cross-section ( A) at patayo na pinahaba upang bumuo ng configuration ng divertor ( 6): 1-plasma; 2- limiter; 3 - dingding ng silid; 4 - separatrix; 5-divertor chamber; 6 - mga plato ng divertor.

Reaktor ng Tokamak. Ch. Ang layunin ng pananaliksik sa T. installation ay upang makabisado ang konsepto ng magnetic. Plasma Containment para sa mga Nilalang fusion reactor. Sa T. posible na lumikha ng isang matatag na mataas na temperatura na plasma na may sapat na temperatura at density para sa isang thermonuclear reactor; ang mga batas ay itinatag para sa thermal insulation ng plasma; Ang mga pamamaraan ng pagpapanatili ng kasalukuyang at pagkontrol sa antas ng mga impurities ay pinagkadalubhasaan. Ang trabaho sa T. ay gumagalaw mula sa purong pisikal na yugto. pananaliksik sa yugto ng paglikha ng mga eksperimento. .

Lit.: Artsimovich L. A., Managed, 2nd ed., M., 1963; Lukyanov S. Yu., Hot plasma at kinokontrol na nuclear fusion, M., 1975; Kadomtsev B.V., Tokamak plasma isang kumplikadong pisikal na sistema, L., 1992. B. B. Kadomtsev.

Ang Tokamak (toroidal chamber na may magnetic coils) ay isang toroidal installation para sa magnetically confining plasma upang makamit ang mga kondisyong kinakailangan para mangyari ang kontroladong thermonuclear fusion. Ang plasma sa isang tokamak ay hindi hawak ng mga dingding ng silid, na maaaring makatiis sa temperatura nito hanggang sa isang tiyak na limitasyon, ngunit sa pamamagitan ng isang espesyal na nilikha na magnetic field. Kung ikukumpara sa iba pang mga instalasyon na gumagamit ng magnetic field upang i-confine ang plasma, ang isang tampok na tokamak ay ang paggamit ng isang electric current na dumadaloy sa plasma upang lumikha ng poloidal field na kinakailangan upang i-compress, init, at mapanatili ang equilibrium ng plasma. Ito, sa partikular, ay naiiba sa isang stellarator, na isa sa mga alternatibong scheme ng pagkulong kung saan ang parehong toroidal at poloidal na mga patlang ay nilikha gamit ang magnetic coils. Ngunit dahil ang plasma filament ay isang halimbawa ng hindi matatag na ekwilibriyo, ang proyekto ng tokamak ay hindi pa naipapatupad at nasa yugto ng napakamahal na mga eksperimento upang gawing kumplikado ang pag-install.

Dapat ding tandaan na, hindi tulad ng mga fissile reactor (bawat isa ay una nang idinisenyo at binuo nang hiwalay sa kanilang sariling mga bansa), ang tokamak ay kasalukuyang pinagsama-samang binuo sa loob ng balangkas ng internasyonal na proyektong pang-agham na ITER.

Tokamak magnetic field at flux.

Kwento

selyo ng selyo ng USSR, 1987.

Ang panukala na gumamit ng kinokontrol na thermonuclear fusion para sa mga layuning pang-industriya at isang tiyak na pamamaraan gamit ang thermal insulation ng high-temperature plasma sa pamamagitan ng isang electric field ay unang binuo ng Soviet physicist na si O. A. Lavrentiev sa isang trabaho noong kalagitnaan ng 1950s. Ang gawaing ito ay nagsilbi bilang isang katalista para sa pananaliksik ng Sobyet sa problema ng kontroladong thermonuclear fusion. Iminungkahi nina A.D. Sakharov at I.E. Tamm noong 1951 na baguhin ang scheme, na nagmumungkahi ng isang teoretikal na batayan para sa isang thermonuclear reactor, kung saan ang plasma ay magkakaroon ng hugis ng torus at mapapaloob ng isang magnetic field.

Ang terminong "tokamak" ay likha nang maglaon ni Igor Nikolaevich Golovin, isang mag-aaral ng Academician Kurchatov. Sa una ay parang "tokamag" - isang pagdadaglat para sa mga salitang "toroidal magnetic chamber", ngunit iminungkahi ni N.A. Yavlinsky, ang may-akda ng unang toroidal system, na palitan ang "-mag" ng "-mac" para sa euphony. Nang maglaon, ang pangalang ito ay hiniram ng maraming wika.

Ang unang tokamak ay itinayo noong 1955, at sa loob ng mahabang panahon ang tokamak ay umiiral lamang sa USSR. Pagkatapos lamang ng 1968, kapag nasa T-3 tokamak, na itinayo sa Institute of Atomic Energy. I.V. Kurchatov, sa ilalim ng pamumuno ng Academician L.A. Artsimovich, naabot ang temperatura ng plasma na 10 milyong degree, at kinumpirma ng mga siyentipikong Ingles kasama ang kanilang kagamitan ang katotohanang ito, na sa una ay tumanggi silang paniwalaan, nagsimula ang isang tunay na tokamak boom sa mundo. Mula noong 1973, ang programa ng pananaliksik para sa pisika ng plasma sa tokamaks ay pinamumunuan ni Boris Borisovich Kadomtsev.

Sa kasalukuyan, ang isang tokamak ay itinuturing na pinaka-promising na aparato para sa pagpapatupad ng kinokontrol na thermonuclear fusion.

Device

Ang tokamak ay isang toroidal vacuum chamber kung saan ang mga coils ay sinusugat upang lumikha ng toroidal magnetic field. Ang hangin ay unang ibobomba palabas ng vacuum chamber at pagkatapos ay pupunuin ng pinaghalong deuterium at tritium. Pagkatapos, gamit ang isang inductor, isang vortex electric field ay nilikha sa silid. Ang inductor ay ang pangunahing paikot-ikot ng isang malaking transpormer, kung saan ang silid ng tokamak ay ang pangalawang paikot-ikot. Ang electric field ay nagdudulot ng pag-agos at pag-aapoy ng plasma chamber.

Ang kasalukuyang dumadaloy sa plasma ay nagsasagawa ng dalawang gawain:

pinapainit ang plasma sa parehong paraan tulad ng ginagawa ng ibang konduktor (ohmic heating);

lumilikha ng magnetic field sa paligid nito. Ang magnetic field na ito ay tinatawag na poloidal (iyon ay, nakadirekta sa mga linya na dumadaan sa mga pole ng spherical coordinate system).

Pinipilit ng magnetic field ang kasalukuyang dumadaloy sa plasma. Bilang resulta, ang isang pagsasaayos ay nabuo kung saan ang mga linya ng helical magnetic field ay "i-twist" ang plasma cord. Sa kasong ito, ang hakbang sa panahon ng pag-ikot sa toroidal na direksyon ay hindi nag-tutugma sa hakbang sa poloidal na direksyon. Ang mga magnetic na linya ay lumabas na hindi sarado; umiikot sila sa paligid ng torus nang walang katapusan nang maraming beses, na bumubuo ng tinatawag na "magnetic surface" ng isang toroidal na hugis.

Ang pagkakaroon ng poloidal field ay kinakailangan para sa matatag na plasma confinement sa naturang sistema. Dahil ito ay nilikha sa pamamagitan ng pagtaas ng kasalukuyang sa inductor, at hindi ito maaaring maging walang hanggan, ang oras ng matatag na pagkakaroon ng plasma sa isang klasikal na tokamak ay limitado. Upang malampasan ang limitasyong ito, ang mga karagdagang pamamaraan ng pagpapanatili ng kasalukuyang ay binuo. Para sa layuning ito, maaaring gamitin ang iniksyon ng pinabilis na neutral na deuterium o tritium atoms o microwave radiation sa plasma.

Bilang karagdagan sa mga toroidal coil, ang mga karagdagang poloidal field coil ay kinakailangan upang makontrol ang plasma cord. Ang mga ito ay singsing na lumiliko sa paligid ng vertical axis ng tokamak chamber.

Ang pag-init lamang dahil sa daloy ng kasalukuyang ay hindi sapat upang mapainit ang plasma sa temperatura na kinakailangan para sa isang thermonuclear reaction. Para sa karagdagang pag-init, ginagamit ang microwave radiation sa tinatawag na resonant frequency (halimbawa, kasabay ng cyclotron frequency ng alinman sa mga electron o ions) o pag-iniksyon ng mabilis na neutral na mga atomo.

Tokamaks at ang kanilang mga katangian

Sa kabuuan, humigit-kumulang 300 tokamak ang naitayo sa mundo. Ang pinakamalaki sa kanila ay nakalista sa ibaba.

USSR at Russia

Ang T-3 ay ang unang functional na aparato.

T-4 - pinalaki na bersyon ng T-3

Ang T-7 ay isang natatanging pag-install kung saan, sa unang pagkakataon sa mundo, ang isang medyo malaking magnetic system na may superconducting solenoid batay sa tin niobate na pinalamig ng likidong helium ay ipinatupad. Ang pangunahing gawain ng T-7 ay nakumpleto: ang pag-asam para sa susunod na henerasyon ng mga superconducting solenoids para sa thermonuclear power ay inihanda.

Ang T-10 at PLT ay ang susunod na hakbang sa pandaigdigang pagsasaliksik ng thermonuclear, halos magkapareho sila ng laki, pantay na kapangyarihan, na may parehong salik sa pagkakulong. At ang mga resulta na nakuha ay magkapareho: sa parehong mga reactor ang temperatura ng thermonuclear fusion ay naabot, at ang lag ayon sa Lawson criterion ay 200 beses.

Ang T-15 ay isang reactor ngayon na may superconducting solenoid na nagbibigay ng induction field na 3.6 Tesla.

Tsina

EAST - matatagpuan sa Hefei City, Anhui Province. Ang pamantayan ng Lawson para sa antas ng pag-aapoy ay lumampas sa tokamak, ang koepisyent ng output ng enerhiya ay 1.25

7 bilyong tenge mula sa badyet ng bansa na namuhunan sa konstruksiyon, at 6 na taon ng sapilitang downtime sa paghahanap ng mga mapagkukunan ng financing. Ang Kazakh materials science tokamak project ay nasa bingit ng pagsasara. Gayunpaman, ang sitwasyon ay nagbago nang malaki salamat sa mga bagong direksyon ng internasyonal na kooperasyon. Ang mamamahayag na si Grigory Bedenko ay bumisita sa Kurchatov at naghanda ng isang ulat na partikular para sa Infromburo.kz tungkol sa mga prospect para sa pananaliksik sa larangan ng kinokontrol na thermonuclear fusion.

Isang maliit na kasaysayan

Sa kalagitnaan ng ika-20 siglo, ang pinaka-maunlad na mga bansa sa mundo ay napakabilis na pinagkadalubhasaan ang atomic energy at natutong gamitin ito kapwa sa mga programa ng sandata ng militar at upang makabuo ng malalaking volume ng thermal at electrical energy para sa mapayapang layunin. Gayunpaman, ang proseso ng kontroladong pagkabulok ng atomic nucleus ay naging lubhang hindi ligtas para sa kapaligiran. Ang mga aksidente sa mga planta ng nuclear power at ang napakalaking problema sa pagtatapon ng mataas na antas ng basura ay nag-alis ng ganitong uri ng enerhiya sa mga prospect nito. Pagkatapos, sa kalagitnaan ng siglo, ang mga siyentipiko ay nag-hypothesize na ang kinokontrol na thermonuclear fusion ay maaaring isang alternatibo. Iminungkahi ng mga eksperto na paulit-ulit, sa ilalim ng mga kondisyong panlupa, ang mga prosesong nagaganap sa kalaliman ng mga bituin, at pag-aaral hindi lamang upang kontrolin ang mga ito, kundi pati na rin upang makakuha ng enerhiya sa mga dami na kinakailangan para sa pagkakaroon ng sibilisasyon. Tulad ng nalalaman, ang thermonuclear fusion ay batay sa prinsipyo ng pagsasanib ng magaan na hydrogen nuclei sa mas mabigat na may pagbuo ng helium. Sa kasong ito, mas maraming enerhiya ang inilabas kaysa sa panahon ng reverse na proseso, kapag ang nuclei ng mabibigat na elemento ay nahahati sa mas magaan na may napakalaking paglabas ng enerhiya at ang pagbuo ng mga isotopes ng iba't ibang elemento ng periodic table. Walang mga nakakapinsalang epekto o mapanganib na basura sa produksyon sa mga thermonuclear reactor.

Diagram ng internasyonal na eksperimentong thermonuclear reactor na ITER

Nakakapagtataka na ang proseso ng thermonuclear fusion mismo ay medyo madaling muling nilikha para sa mga programa ng armas, ngunit ang pagbuo ng mapayapang mga proyekto ng enerhiya ay naging isang halos imposibleng gawain. Ang pangunahing bagay para sa isang bomba ng hydrogen ay, sa katunayan, upang simulan ang proseso ng pagsasanib, na nangyayari sa nanoseconds. Ngunit ang isang power thermonuclear reactor ay nangangailangan ng mga espesyal na kondisyon. Upang makakuha ng enerhiya, kinakailangan upang mapanatili ang mataas na temperatura ng plasma sa isang kontroladong estado para sa isang tiyak na tagal ng panahon - ito ay pinainit mula 10 hanggang 30 milyong degrees Celsius. Sa pamamagitan ng pagkulong sa gayong plasma, ang mga pisikal na kondisyon ay nilikha para sa pagsasanib ng magaan na deuterium at tritium nuclei sa mabibigat na mga. Bukod dito, mas maraming enerhiya ang dapat ilabas kaysa sa ginastos sa pagpainit at pagkulong sa plasma. Ito ay pinaniniwalaan na ang isang pulso na may kontroladong thermonuclear fusion na may positibong koepisyent ng paglabas ng enerhiya ay dapat tumagal ng hindi bababa sa 500 segundo. Ngunit para sa gayong oras at sa gayong mga temperatura, hindi isang solong istrukturang materyal ng isang promising reactor ang makatiis nito. Ito ay sumingaw lamang. At ang mga siyentipiko sa buong mundo ay nakikibaka sa problema ng mga materyal na agham sa loob ng higit sa kalahating siglo na halos walang pakinabang.

Plasma na nakuha sa Kazakhstan materyales science tokamak / Mga materyales na ibinigay ng Institute of Atomic Energy ng National Nuclear Center ng Republic of Kazakhstan

Mga materyales na ibinigay ng Institute of Atomic Energy NNC RK

Ang napakabagal na paggalaw ng video na ito ay nagpapakita ng pagbuo ng plasma sa isang Kazakhstani tokamak (mga materyales na ibinigay ng Institute of Atomic Energy ng National Nuclear Center ng Republic of Kazakhstan)

Ang pagbuo ng plasma sa CFT

Ano ang tokamak at stellarator?

Ang pagdadaglat ay Ruso, dahil ang unang pag-install ay binuo sa Unyong Sobyet. Ang tokamak ay isang toroidal chamber na may magnetic coils. Ang torus ay isang three-dimensional na geometric na figure (hugis tulad ng isang donut, sa simpleng salita), at ang toroid ay isang manipis na wire na sugat sa paligid ng hugis torus frame. Kaya, ang mataas na temperatura na plasma sa pag-install ay nabuo at pinanatili sa hugis ng isang torus. Sa kasong ito, ang pangunahing prinsipyo ng isang tokamak ay ang plasma ay hindi nakikipag-ugnayan sa mga dingding ng silid, ngunit nakabitin sa kalawakan, na parang, na hawak ng isang napakalakas na magnetic field. Ang pamamaraan para sa thermal insulation ng plasma at ang paraan ng paggamit ng naturang mga pag-install para sa mga layuning pang-industriya ay unang iminungkahi ng Soviet physicist na si Oleg Aleksandrovich Lavrentyev. Ang unang tokamak ay itinayo noong 1954 at sa loob ng mahabang panahon ay umiiral lamang sa USSR. Sa ngayon, humigit-kumulang dalawang daang katulad na aparato ang naitayo sa mundo. Sa kasalukuyan, mayroong mga operating toroidal chamber para sa pag-aaral ng kinokontrol na thermonuclear fusion sa Russia, USA, Japan, China at European Union. Ang pinakamalaking internasyonal na proyekto sa lugar na ito ay ITER (higit pa sa na mamaya). Ang nagpasimula ng pagtatayo ng isang tokamak sa agham ng mga materyales sa Kazakhstan ay ang pinuno ng Russian Kurchatov Institute, Academician Evgeny Pavlovich Velikhov. Mula noong 1975, pinamunuan niya ang programa ng fusion reactor na kontrolado ng Sobyet. Ang ideya na magtayo ng pasilidad sa dating Semipalatinsk nuclear test site ay lumitaw noong 1998, nang makipagpulong si Velikhov sa Pangulo ng Republika ng Kazakhstan na si Nursultan Nazarbayev.

Scheme ng plasma confinement sa isang stellarator / Mga materyales na ibinigay ng Institute of Atomic Energy NNC RK

Ang stellarator ay isang alternatibong uri ng reactor sa isang tokamak para sa pagsasagawa ng kinokontrol na thermonuclear fusion. Inimbento ng American astrophysicist na si Lyman Spitzer noong 1950. Ang pangalan ay nagmula sa salitang Latin na stella (bituin), na nagpapahiwatig ng pagkakatulad ng mga proseso sa loob ng mga bituin at sa isang gawa ng tao na pag-install. Ang pangunahing pagkakaiba ay ang magnetic field para sa paghihiwalay ng plasma mula sa panloob na mga dingding ng silid ay ganap na nilikha ng mga panlabas na coils, na nagpapahintulot na magamit ito sa tuluy-tuloy na mode. Ang plasma sa stellarator ay nabuo sa hugis ng isang "gusot na donut" at, kumbaga, mga twists. Ngayon, may mga research stellarator sa Russia, Ukraine, Germany at Japan. Bukod dito, ang pinakamalaking stellarator sa mundo, ang Wendelstein 7-X (W7-X), ay inilunsad kamakailan sa Germany.

Kazakhstani materials science tokamak / Grigory Bedenko

Ang lahat ng ito ay mga pasilidad ng pananaliksik, "sabi ng pinuno ng siyentipikong grupo ng proyekto ng KTM. Ang Stellarator ay naiiba sa pagsasaayos ng magnetic field nito. Sa isang tokamak, isang tinatawag na toroidal winding at isang poloidal outer winding ay ginagamit upang maglaman ng plasma. Ngunit sa isang stellarator ito ay kabaligtaran - mayroong isang paikot-ikot na sugat sa isang spiral, na gumaganap ng mga function ng parehong toroidal at poloidal. Ang tokamak sa una ay isang pulsed installation, at ang stellarator ay isang mas nakatigil na pag-install, iyon ay, ang bentahe ng twisted winding ay nagbibigay-daan sa iyo upang hawakan ang plasma nang walang katiyakan. Ang mga Stellarator ay binuo kasabay ng mga tokamaks, at sa isang pagkakataon ang mga tokamaks ay nanguna sa mga parameter ng plasma. Nagsimula na ang “procession” ng tokamaks sa buong mundo. Ngunit gayunpaman, ang mga stellarator ay umuunlad. Available ang mga ito sa Japan; itinayo kamakailan ang mga ito sa Germany - ang Wendelstein 7-X (W7-X) ay inilagay sa operasyon. Mayroong isang stellarator sa USA. Bilang karagdagan, mayroong isang malaking bilang ng lahat ng mga uri ng mga pag-install ng pananaliksik na may bahagyang magnetic plasma confinement - ito ay iba't ibang mga bitag. Mayroon ding inertial thermonuclear fusion, kapag ang isang maliit na target ay pinainit ng laser radiation. Ito ay isang maliit na pagsabog ng thermonuclear.

Mga yunit at pagtitipon ng itaas na bahagi ng pag-install / Grigory Bedenko

Gayunpaman, ang tokamak ay itinuturing na pinaka-promising bilang isang pang-industriyang thermonuclear reactor ngayon.

Teknolohikal na gusali kung saan matatagpuan ang KTM / Grigory Bedenko

Tokamak sa Kazakhstan

Ang pag-install ng Kazakhstan ay itinayo noong 2010 sa isang espesyal na itinalagang site sa administrative zone ng dating Semipalatinsk test site - ang lungsod ng Kurchatov. Binubuo ang complex ng ilang mga teknolohikal na gusali na naglalaman ng mga bahagi at asembliya ng tokamak, pati na rin ang mga workshop, mga silid para sa pagproseso ng data, tirahan ng mga tauhan, atbp. Ang proyekto ay binuo sa Russia batay sa National Center for Thermonuclear Research (Kurchatov Institute). Ang vacuum chamber, magnetic coils, atbp. ay idinisenyo at binuo sa Research Institute of Electrophysical Equipment na pinangalanan. D.V. Evremov (Research Institute EFA), automation - sa Tomsk Polytechnic Institute. Kasama rin sa mga kalahok sa proyekto mula sa panig ng Russia ang All-Russian Institute of Currents (NII TVCH), TRINITI (Troitsk Institute of Innovative and Thermonuclear Research). Ang pangkalahatang taga-disenyo mula sa Kazakhstan ay Promenergoproekt LLP, at ang Kazelektromontazh UPC complex ay direktang na-install. Matapos makumpleto ang lahat ng gawain, inilunsad ang CTM at ginawa ang unang plasma. Pagkatapos ay itinigil ang pagpopondo para sa proyekto, at ang tokamak ay naging isang mamahaling high-tech na tourist attraction sa loob ng anim na mahabang taon.

Pag-install ng retrofitting equipment para sa KTM / Grigory Bedenko

Pangalawang buhay ng KTM

Ang proyekto ay na-reboot sa bisperas ng EXPO 2017 sa Astana. Tamang-tama ito sa konsepto ng World Exhibition na nakatuon sa enerhiya ng hinaharap. Noong Hunyo 9, ang pag-install ay na-restart sa presensya ng isang malaking bilang ng mga mamamahayag. Ang mga developer ng Russia ay naroroon sa paglulunsad. Gaya ng sinabi sa seremonya, ang layunin ng unang yugto ng pisikal na paglulunsad ay i-debug at subukan ang karaniwang mga sistema ng KTM. Gayundin, ayon sa pinuno ng National Nuclear Center ng Republika ng Kazakhstan Erlan Batyrbekov, sa batayan ng Kazakh tokamak, ang mga siyentipiko mula sa iba't ibang bansa ay makakapagsagawa ng malawak na hanay ng pananaliksik, kabilang ang paggawa ng makabago ng mga umiiral na pang-industriya na reaktor.

Ang AC converter para sa KTM ay may futuristic na hitsura / Grigory Bedenko

Pagkatapos ang sitwasyon ay umunlad sa isang mas kanais-nais na direksyon. Sa Astana, sa panahon ng Ministerial Conference at ng VIII International Energy Forum, nakatanggap ang Kazakhstan ng opisyal na imbitasyon na maging isang kasamang miyembro ng International Organization ITER. Ang International Thermonuclear Experimental Reactor ay nilikha ng isang grupo ng mga bansa upang ipakita ang posibilidad ng komersyal na paggamit ng thermonuclear energy, pati na rin ang paglutas ng mga pisikal at teknolohikal na problema sa lugar na ito. Sa esensya, ang ITER ay isang napakalaking at napakakomplikadong tokamak. Ang mga bansa ng European Union, India, China, South Korea, Russia, USA, Japan at ngayon ang ating bansa ay nakikibahagi sa proyekto. Mula sa Kazakhstan, ang pananaliksik sa paksa ay isasagawa ng mga espesyalista mula sa National Nuclear Center, ang Research Institute of Experimental and Theoretical Physics ng Kazakh National University. Al-Farabi, Institute of Nuclear Physics, Ulba Metallurgical Plant, KazNIPIEnergoprom at Kazelektromash. Gagawin ang ITER sa France, 60 kilometro mula sa Marseille. Sa kasalukuyan, ang halaga ng proyekto ay tinatayang nasa 19 bilyong euro. Ang paglulunsad ng pag-install ay naka-iskedyul para sa 2025.

Baurzhan Chektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, pinuno ng siyentipikong grupo ng proyekto ng CTM

Noong Hunyo 10, isang memorandum ang natapos sa magkasanib na pananaliksik sa pagitan ng ITER at KTM. Sa loob ng balangkas ng kasunduang ito, ang isang proyekto para sa pakikipag-ugnayan sa International Organization ITER ay kasalukuyang inihahanda. Interesado sila sa aming pag-install. Ang mismong proyekto ng ITER ay hindi rin simple; may problema sa mga materyales. Bilang bahagi ng proyekto, pag-aaralan natin ang tungsten at beryllium. Ang ilang bahagi at bahagi ng ITER ay gagawin mula sa materyal na ito. Papasukin natin sila. Ang buong unang pader ng ITER reactor ay lilagyan ng mga tile ng tungsten at beryllium. Ang silid ng vacuum mismo ay binubuo ng isang diverter, kung saan ang daloy ng plasma ay dumadaloy; mayroong pinaka matinding lugar - 20 MW bawat metro kuwadrado. Magkakaroon ng tungsten. Ang natitirang bahagi ng unang pader ay lilagyan ng beryllium.

Ang KTM ay isang napakakomplikadong sistema mula sa teknolohikal na pananaw / Grigory Bedenko

- Bakit saITERinteresado kaya sa ating tokamak?

Bilang karagdagan sa agham ng mga materyales, ang gawain ng aming pag-install ay pag-aralan ang pisika ng plasma. Ang CTM ay natatangi sa mga tuntunin ng aspect ratio. Mayroong tulad ng isang parameter, isa sa mga pangunahing para sa tokamaks - ang ratio ng malaking radius mula sa axis hanggang sa gitna ng plasma hanggang sa maliit, iyon ay, mula sa plasma axis hanggang sa mga gilid nito. Para sa amin ang parameter na ito ay katumbas ng dalawa. Sa parehong ITER - 3.1. Ang lahat ng tokamak na higit sa 3 ay klasiko. Mayroong modernong direksyon ng tokamaks - ito ay spherical tokamaks, kung saan ang aspect ratio ay mas mababa sa 2 - isa at kalahati at mas mababa pa - ito ay cool, halos spherical chambers. Ang aming tokamak ay matatagpuan, kumbaga, sa isang borderline na posisyon, sa pagitan ng klasikal at spherical na tokamak. Wala pang ganoong pag-install, at dito, sa palagay ko, isasagawa ang kawili-wiling pananaliksik sa pag-uugali ng plasma. Ang mga naturang pag-install ay itinuturing na hybrid na hinaharap na mga reactor, o volumetric na neutron na pinagmumulan.

Ang ibabang bahagi ng KTM vacuum chamber / Larawan ni Grigory Bedenko

- Gaano kaaasa ang pakikipagtulungan saITER?Ililigtas ba nito ang proyekto?

Noong 2010, nagkaroon ng pagsubok na paglulunsad gamit ang kagamitan at ang kahandaan na magagamit noong panahong iyon. Ang gawain ay upang ipakita na ang pag-install ay "huminga" at may kakayahang gumana. Sa parehong ikasampung taon, naubusan kami ng pondo. Pagkatapos ay mayroong anim na taon ng kawalan ng aktibidad. All this time pinaglalaban namin ang budget. Dati itong naaprubahan noong 2006, at kailangang ganap na baguhin. Humigit-kumulang 80% ng aming kagamitan ay dayuhan, at sa konteksto ng mga kilalang kaganapan sa pandaigdigang sistema ng pananalapi, ang pasilidad ay naging mas mahal kaysa sa orihinal na pinlano. Noong 2016, pagkatapos ayusin ang badyet ng proyekto, naglaan ng karagdagang pondo. Ang pag-install ay nagkakahalaga na ng Kazakh na badyet na 7 bilyong tenge. Kabilang dito ang konstruksiyon at pag-install, paggawa ng vacuum chamber at electromagnetic system.

Ang mga mananaliksik ay kailangang maging jacks ng lahat ng trades / Grigory Bedenko

- Ano ang nangyayari ngayon? Nagkaroon ng trial run noong Hunyo.

Ngayon ang paglikha ng KTM ay nasa huling yugto nito. Sa kasalukuyan, ang pag-install at pag-commissioning ng mga pangunahing at auxiliary system ay isinasagawa. Nagtapos kami ng isang kasunduan sa pangkalahatang kontratista na nanalo sa tender. Mayroong dalawang mga kumpanya, ang isa ay nakikibahagi sa konstruksiyon at pag-install ng trabaho, ang pangalawa - commissioning trabaho. Ang "KazIntelgroup" ay nakikibahagi sa gawaing pagtatayo at pag-install, ang "Quality Guarantor XXI Century" ay nakikibahagi sa pagkomisyon. Ang pagtatayo ng pag-install ay nakatakdang matapos sa taong ito. Pagkatapos, bago matapos ang taon, isang pisikal na paglulunsad ang magaganap. Sa 2018, isasagawa ang pag-install at magsisimula ang mga full-scale na eksperimento. Sa loob ng 3 taon, plano naming maabot ang nominal na mga parameter ng disenyo na kasama sa pag-install, at pagkatapos ay magsaliksik pa ng mga materyales.

Sa ilang mga lugar ang KTM ay kahawig ng isang dayuhan na barko / Larawan ni Grigory Bedenko

- Kumusta ka sa pagpili ng mga empleyado?

Karamihan sa mga batang espesyalista ay nagtapos sa mga unibersidad ng Kazakhstani, mula sa Ust-Kamenogorsk, Pavlodar at Semey. Ang ilan ay nagtapos sa mga unibersidad ng Russia, halimbawa, Tomsk Polytechnic University. Talamak ang isyu sa staffing. Ayon sa proyekto, dapat mayroong 120 katao, 40 katao ang nagtatrabaho. Sa susunod na taon, kapag ang complex ay inilagay na, pagkatapos ay magkakaroon ng recruitment. Ngunit ang paghahanap ng mga espesyalista sa lugar na ito ay isang hiwalay at mahirap na gawain.

Dmitry Olkhovik, pinuno ng KTM experiment automation systems department

Ang kakaiba ng CFT ay mayroon itong rotary-diverter device, iyon ay, ang lahat ng mga materyales na pinag-aaralan ay maaaring paikutin sa loob ng kamara. Bilang karagdagan, mayroon ding transport gateway device. Ginagawa nitong posible na i-recharge ang mga materyales sa ilalim ng pag-aaral nang walang depressurizing ang vacuum chamber. Sa iba pang mga pag-install ay may ilang mga paghihirap: kung ang kamara ay na-depressurize, hindi bababa sa isang linggo o dalawa ang kailangan upang maihanda itong muli para sa mga bagong paglulunsad. Madali naming mapapalitan ang mga sample ng pagsubok sa isang campaign, nang hindi nag-aaksaya ng oras sa depressurization. Ito ang pang-ekonomiyang bentahe ng pag-install.

Ang ilang mga uri ng mga bagong kagamitan ay nasa orihinal pa ring packaging / Grigory Bedenko

- Paano isasagawa ang mga eksperimento?

Sa ganitong mga pag-install, dalawang pang-eksperimentong kampanya ang isinasagawa bawat taon. Halimbawa, nagsasagawa kami ng kampanya sa tagsibol, pagkatapos ay sa tag-araw sinusuri namin ang data na nakuha at nagpaplano ng karagdagang mga eksperimento. Ang pangalawang kampanya ay nagaganap sa taglagas. Ang kampanya mismo ay tumatagal mula dalawa hanggang tatlong buwan. Mayroong dalawang pangunahing problema sa paraan sa paglikha ng isang power fusion reactor. Ang una ay upang bumuo ng teknolohiya para sa paggawa at pagpapanatili ng plasma, ang pangalawa ay upang bumuo ng mga materyales, ang mga direktang tumutugon sa plasma, dahil ang plasma ay mataas ang temperatura. Ang malalaking daloy ng enerhiya ay lumilipad at nakakaimpluwensya sa materyal. Ang materyal, sa turn, ay nawasak at nakakalat. At ang pagpasok ng mga particle na ito sa plasma ay may lubhang negatibong epekto. Ang plasma ay napaka-sensitibo sa mga impurities. Pinapalamig nila ang plasma at sa huli ay pinapatay ito. Mayroon ding paksa ng mga epekto ng neutron sa mga materyales sa istruktura. Susubukan ng aming tokamak ang mga materyales upang matukoy ang kanilang paglaban sa init. Nangangahulugan ito na ang mga ito ay hindi na-spray at tugma sa plasma. Ang tungsten at beryllium ay pag-aaralan bilang mga materyales. Susubukan namin sila, tingnan kung paano sila kumikilos sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na daloy ng plasma, katulad ng sa ITER.

Malaking power currents ang ginagamit sa KTM / Grigory Bedenko

- Anong gawain ang ginagawa para i-retrofit ang KTM?

Pag-install ng mga teknolohikal na sistema para sa mga sistema ng vacuum, mga sistema ng paglamig. Ito ay isang napakakomplikadong pag-install ng kuryente. Upang makakuha ng magnetic field, kailangan mong kumuha ng maraming enerhiya mula sa network. Mayroong isang tiyak na kumplikado para sa conversion ng enerhiya. Simula mula sa pulsed power supply system, maraming mga carrier transformer ang ginagamit, at ang isang terristor converter complex ay ginagamit, iyon ay, isang medyo kumplikadong sistema sa mga tuntunin ng operasyon, kontrol, at ang sistema ay napaka-ibinahagi. Iyon ay, ang lahat ng gawaing ito ay isinasagawa na ngayon, ang mga suplay ng kuryente ay inaayos.

Ang trabaho ay napakaingat / Grigory Bedenko

Paggawa gamit ang mga bagong kagamitan sa KTM

Ang ganitong mga pag-install ay nangangailangan ng napakalaking halaga ng kuryente upang gumana. Makakakonsumo ba ng marami ang KTM?

Kapag tumatakbo sa nominal mode, ang paggamit ng kuryente mula sa network ay magiging mga 80-100 MW. Para sa isang eksperimento. Mayroon ding karaniwang karagdagang sistema ng pag-init, na magbobomba din ng enerhiya mula sa network.

Magnetic coil power supply system / Grigory Bedenko

Ito ay kilala na sa Kazakhstan isang makabuluhang bahagi ng populasyon ay may radiophobia. Ito ang mga socio-psychological na kahihinatnan ng mga nuclear test. Gaano kaligtas ang iyong pananaliksik?

Ito ay pinaniniwalaan na ang kinokontrol na thermonuclear fusion ay isang alternatibong environment friendly na mapagkukunan ng enerhiya. Ang mga aksidente tulad ng Chernobyl, Fukushima, atbp. ay pisikal na hindi maaaring mangyari dito. Ang pinakaseryosong bagay na maaaring mangyari ay ang depressurization ng vacuum chamber kung saan nakapaloob ang plasma. Sa kasong ito, ang plasma ay napatay at ang ilang gramo ng thermonuclear fuel na nasa silid ay tumagas.

Itaas na bahagi ng pag-install / Grigory Bedenko

At ilan pang kawili-wiling mga katotohanan tungkol sa ITER, ang pinakamalaking internasyonal na proyekto sa kasaysayan ng naturang pananaliksik, kung saan ang aming mga eksperto ay may mataas na pag-asa. Gaya ng nabanggit sa itaas, ang ITER ay isang internasyonal na organisasyon na kinabibilangan ng higit sa isang dosenang bansa: Russia, France, Japan, China, India, European Union, Canada, at USA. Kapansin-pansin, ang kontribusyon ng bawat bansa sa proyekto ay ginawa sa anyo ng mga natapos na produkto. Halimbawa, ang Russia ay gumagawa ng ilang cryogenic windings batay sa mga superconductor, power equipment, atbp.

Magtrabaho sa pag-set up ng power supply system sa KTM / Grigory Bedenko

Ang ITER ay hindi pa isang pag-install ng enerhiya; hindi ito magbibigay ng enerhiya. Ito ay isang pagpapakita ng teknolohiya ng pagiging posible ng paggawa ng plasma na may output ng enerhiya. Pagkatapos ng ITER, kapag nabuo ang mga teknolohiya, gagawa ng demonstration reactor na magbibigay na ng enerhiya. Mangyayari ito sa isang lugar sa 40-50s ng ika-21 siglo. Iyon ay, 100 taon pagkatapos ng pagsisimula ng pananaliksik sa paksang ito.

KTM control room / Grigory Bedenko

Ang proyekto ng ITER ay may humigit-kumulang 500 segundo ng tuluy-tuloy na operasyon. Reaktor ng pulso. Sa prinsipyo, hanggang sa 1000 segundo ang ibinigay. - paano ito pupunta? Kapag napili na ang lahat ng teknolohiya, naaprubahan ang mga materyales at disenyo, susunod na gagawin ang DEMO. Napagdesisyunan na ang reactor na ito ay itatayo sa Japan.

Mga yunit ng KTM / Grigory Bedenko

Tila, ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang power thermonuclear reactor ay ang mga sumusunod. Ang unang elemento, na sumisipsip ng thermal energy ng plasma, ay maglalaman ng mga channel para sa pagpapalitan ng init sa loob mismo. Pagkatapos ang lahat ay pareho sa isang maginoo na planta ng kuryente - pag-init ng pangalawang circuit coolant, pag-ikot ng mga turbine at pagbuo ng elektrikal na enerhiya.

Pangkalahatang view ng KTM reactor hall / Grigory Bedenko

Ang pisikal na paglulunsad ng ITER ay magaganap sa 2025. Ito ay isasagawa sa 2028. Batay sa mga resulta ng trabaho, ang opsyon ng paglikha ng mga hybrid na reactor ay isinasaalang-alang - kung saan ang mga neutron mula sa thermonuclear fusion ay ginagamit upang hatiin ang nuclear fuel.

Upang makamit ang mga kondisyong kinakailangan para sa pangyayari. Ang plasma sa isang tokamak ay hindi hawak ng mga dingding ng silid, na hindi makatiis sa temperatura na kinakailangan para sa mga thermonuclear na reaksyon, ngunit sa pamamagitan ng isang espesyal na nilikha na pinagsamang magnetic field - isang toroidal na panlabas at poloidal na larangan ng kasalukuyang dumadaloy sa plasma. kurdon. Kung ikukumpara sa iba pang mga instalasyon na gumagamit ng magnetic field upang i-confine ang plasma, ang paggamit ng electric current ang pangunahing katangian ng isang tokamak. Tinitiyak ng kasalukuyang nasa plasma ang pag-init ng plasma at pagpapanatili ng balanse ng filament ng plasma sa silid ng vacuum. Sa ganitong paraan, ang isang tokamak, sa partikular, ay naiiba sa isang stellarator, na isa sa mga alternatibong scheme ng pagkulong kung saan ang parehong toroidal at poloidal na mga patlang ay nilikha gamit ang mga panlabas na magnetic coils.

Ang Tokamak reactor ay kasalukuyang binuo bilang bahagi ng internasyonal na proyektong pang-agham na ITER.

Kwento

Sa kasalukuyan, ang tokamak ay itinuturing na pinaka-promising na aparato para sa pagpapatupad ng kinokontrol na thermonuclear fusion.

Device

Ang tokamak ay isang toroidal vacuum chamber kung saan ang mga coils ay sinusugat upang lumikha ng toroidal magnetic field. Ang hangin ay unang ibobomba palabas ng vacuum chamber at pagkatapos ay pupunuin ng pinaghalong deuterium at tritium. Pagkatapos ay gumagamit inductor isang vortex electric field ay nilikha sa silid. Ang inductor ay ang pangunahing paikot-ikot ng isang malaking transpormer, kung saan ang silid ng tokamak ay ang pangalawang paikot-ikot. Ang electric field ay nagdudulot ng pag-agos at pag-aapoy sa plasma chamber.

Ang kasalukuyang dumadaloy sa plasma ay nagsasagawa ng dalawang gawain:

pinapainit ang plasma sa parehong paraan tulad ng ginagawa ng ibang konduktor (ohmic heating);
lumilikha ng magnetic field sa paligid nito. Ang magnetic field na ito ay tinatawag na poloidal(iyon ay, nakadirekta sa mga linyang dumadaan mga poste spherical coordinate system).

Ang pagkakaroon ng poloidal field ay kinakailangan para sa matatag na plasma confinement sa naturang sistema. Dahil ito ay nilikha sa pamamagitan ng pagtaas ng kasalukuyang sa inductor, at hindi ito maaaring maging walang hanggan, ang oras ng matatag na pag-iral ng plasma sa isang klasikal na tokamak ay limitado pa rin sa ilang segundo. Upang malampasan ang limitasyong ito, ang mga karagdagang pamamaraan ng pagpapanatili ng kasalukuyang ay binuo. Para sa layuning ito, maaaring gamitin ang iniksyon sa plasma ng pinabilis na neutral na mga atomo ng deuterium o tritium o microwave radiation.

Bilang karagdagan sa mga toroidal coil, ang mga karagdagang ay kinakailangan upang makontrol ang plasma cord. poloidal field coils. Ang mga ito ay singsing na lumiliko sa paligid ng vertical axis ng tokamak chamber.

Tokamaks at ang kanilang mga katangian

Sa kabuuan, humigit-kumulang 300 tokamak ang naitayo sa mundo. Ang pinakamalaki sa kanila ay nakalista sa ibaba.

USSR at Russia

Kazakhstan

Ang Kazakhstan Materials Research Tokamak (KTM) ay isang eksperimental na thermonuclear installation para sa pagsasaliksik at pagsubok ng mga materyales sa mga rehimen ng pagkarga ng enerhiya malapit sa