Tokamak nedir? Termonükleer reaktör insanlık için yeni bir çağ açacak. Teknokratik hareket Tokamak kurulumu

sıcak plazmada yarı sabit modda termonükleer füzyon reaksiyonunu gerçekleştirmek için bir cihaz olup, burada plazma toroidal bir bölmede oluşturulur ve bir manyetik alan tarafından stabilize edilir. Kurulumun amacı nükleer enerjiyi ısıya ve ardından elektriğe dönüştürmektir. "Tokamak" kelimesinin kendisi "toroidal manyetik oda" adının kısaltmasıdır, ancak enstalasyonun yaratıcıları büyülü bir şeyle çağrışım uyandırmamak için sondaki "g" harfini "k" ile değiştirdiler.

Bir kişi, ağır elementlerin çekirdeklerini daha hafif olanlara bölerek atom enerjisi (hem reaktörde hem de bombada) elde eder. Nükleon başına enerji demir için maksimumdur (“demir maksimumu” olarak adlandırılır) ve maksimum ortadaysa, yalnızca ağır elementlerin bozunması sırasında değil, aynı zamanda hafif elementlerin birleşimi sırasında da enerji açığa çıkacaktır. Bu işleme termonükleer füzyon adı verilir ve bir hidrojen bombasında ve bir füzyon reaktöründe gerçekleşir. Bilinen birçok termonükleer reaksiyon ve füzyon reaksiyonu vardır. Enerji kaynağı, ucuz yakıtın bulunduğu kaynak olabilir ve füzyon reaksiyonunu başlatmanın temelde iki farklı yolu mümkündür.

İlk yol “patlayıcıdır”: Enerjinin bir kısmı, çok az miktarda maddeyi gerekli başlangıç durumuna getirmek için harcanır, bir sentez reaksiyonu meydana gelir ve açığa çıkan enerji uygun bir forma dönüştürülür. Aslında bu sadece bir miligram ağırlığında bir hidrojen bombası. Atom bombası başlangıç enerjisi kaynağı olarak kullanılamaz; “küçük” değildir. Bu nedenle, milimetrelik bir döteryum-trityum buz tabletinin (veya sıkıştırılmış döteryum ve trityum karışımına sahip bir cam kürenin) lazer darbeleriyle her taraftan ışınlanacağı varsayıldı. Yüzeydeki enerji yoğunluğu, tabletin plazmaya dönüşen üst katmanının, iç katmanlara uygulanan basıncın ve tabletin iç katmanlarının ısıtılmasının yeterli olacağı bir sıcaklığa kadar ısıtılmasını sağlayacak şekilde olmalıdır. sentez reaksiyonu. Bu durumda darbenin o kadar kısa olması gerekir ki, nanosaniyede on milyon derece sıcaklıkta plazmaya dönüşen maddenin uçmaya vakti kalmaz, tabletin iç kısmına baskı yapar. Bu iç kısım, katılarınkinden yüz kat daha fazla bir yoğunluğa sıkıştırılır ve yüz milyon dereceye kadar ısıtılır.

İkinci yol. Başlangıç maddeleri nispeten yavaş bir şekilde ısıtılabilir - plazmaya dönüşecekler ve daha sonra reaksiyonun başlaması için koşullar sağlanana kadar herhangi bir şekilde içine enerji verilebilir. Döteryum ve trityum karışımında bir termonükleer reaksiyonun meydana gelmesi ve pozitif enerji çıkışı elde edilmesi için (termonükleer reaksiyon sonucunda açığa çıkan enerji, bu reaksiyonda harcanan enerjiden daha büyük olduğunda), bir plazmanın oluşturulması gerekir. yoğunluğu en az 10 14 parçacık/cm3 (10 5 atm.) olan ve yaklaşık 10 9 dereceye kadar ısıtılan bu sırada plazma tamamen iyonize olur.

Böyle bir ısıtma, Coulomb itmesine rağmen çekirdeklerin birbirine yaklaşabilmesi için gereklidir. Enerji elde etmek için bu durumun en az bir saniye sürdürülmesi gerektiği gösterilebilir ("Lawson kriteri" olarak adlandırılır). Lawson kriterinin daha kesin bir formülasyonu: Konsantrasyon ürünü ve bu durumu sürdürme süresi 10.15 cm cm3 civarında olmalıdır. Asıl sorun, plazmanın stabilitesidir: bir saniye içinde birçok kez genişlemek, odanın duvarlarına dokunmak ve soğumak için zamanı olacaktır.

2006 yılında uluslararası toplum bir gösteri reaktörünün inşaatına başladı. Bu reaktör gerçek bir enerji kaynağı olmayacak, ancak öyle bir şekilde tasarlandı ki, eğer her şey yolunda giderse, "enerji" olanların yapımına başlanabilir, yani. Elektrik şebekesine dahil edilmesi amaçlanan termonükleer reaktörler. En büyük fiziksel projeler (hızlandırıcılar, radyo teleskoplar, uzay istasyonları) o kadar pahalı hale geliyor ki, iki seçeneği düşünmek bile çabalarını birleştiren insanlık için bile karşılanamaz hale geliyor ve bir seçim yapmak zorunda kalıyor.

Kontrollü termonükleer füzyon üzerine çalışmanın başlangıcı, I.E. Tamm ve A.D. Sakharov'un sıcak plazmanın manyetik hapsedilmesi kullanılarak kontrollü termonükleer füzyonun (CTF) gerçekleştirilebileceği sonucuna vardığı 1950 yılına dayanmalıdır. İlk aşamada ülkemizde çalışmalar L.A. Artsimovich önderliğinde Kurchatov Enstitüsü'nde yürütüldü. Ana sorunlar iki gruba ayrılabilir: plazma kararsızlığı sorunları ve teknolojik sorunlar (saf vakum, radyasyona direnç vb.). İlk tokamaklar 1954-1960'da oluşturuldu, şu anda dünyada 100'den fazla tokamak inşa edildi. 1960'lı yıllarda, akım geçirerek ısıtmanın ("ohmik ısıtma") tek başına bir plazmayı füzyon sıcaklıklarına getiremediği gösterildi. Plazmanın enerji içeriğini arttırmanın en doğal yolu, hızlı nötr parçacıkların (atomların) dışarıdan enjeksiyonu yöntemi gibi görünüyordu, ancak gerekli teknik seviyeye ancak 1970'lerde ulaşıldı ve enjektörler kullanılarak gerçek deneyler yapıldı. Günümüzde nötr parçacıkların mikrodalga aralığında enjeksiyon ve elektromanyetik radyasyonla ısıtılması en umut verici olarak kabul edilmektedir. 1988 yılında Kurchatov Enstitüsü, süper iletken sargılara sahip bir ön reaktör nesli tokamak T-15 inşa etti. 1956'dan beri N.S. Kruşçev'in Büyük Britanya ziyareti sırasında I.V. Kurchatov bu çalışmaların SSCB'de uygulandığını duyurdu. Bu alandaki çalışmalar birçok ülke tarafından ortaklaşa yürütülüyor. 1988 yılında SSCB, ABD, Avrupa Birliği ve Japonya ilk deneysel tokamak reaktörünün tasarımına başladı (tesis Fransa'da inşa edilecek).

Tasarlanan reaktörün boyutları 30 metre çapında ve 30 metre yüksekliğindedir. Bu tesisin beklenen inşaat süresi sekiz yıl, işletme ömrü ise 25 yıldır. Tesisattaki plazma hacmi yaklaşık 850 metreküptür. Plazma akımı 15 megaamper. Tesisin termonükleer gücü 500 Megawatt'tır ve 400 saniye boyunca korunur. Gelecekte bu sürenin 3000 saniyeye çıkarılması bekleniyor, bu da ITER reaktöründe plazmada termonükleer füzyonun (“termonükleer yanma”) fiziğine ilişkin ilk gerçek çalışmaların yapılmasını mümkün kılacak.

Lukyanov S.Yu. Sıcak plazma ve kontrollü nükleer füzyon. M., Nauka, 1975
Artsimovich L.A., Sagdeev R.Z. Fizikçiler için plazma fiziği. M., Atomizdat, 1979
Hegler M., Christiansen M. Kontrollü Füzyona Giriş. M., Mir, 1980
Killeen J. Kontrollü termonükleer füzyon. M., Mir, 1980
Boyko V.I. Kontrollü termonükleer füzyon ve eylemsiz termonükleer füzyon sorunları. Soros eğitim dergisi. 1999, sayı 6

TOKAMAK(“manyetik bobinli toroidal oda”dan kısaltılmıştır) - güçlü bir mıknatıs kullanarak yüksek sıcaklıkları tutmak için bir cihaz. alanlar. T.'nin fikri 1950 yılında akademisyenler I. E. Tamm ve A. D. Sakharov tarafından dile getirildi; ilk deneyler Bu sistemler üzerine araştırmalar 1956'da başladı.

Cihazın çalışma prensibi Şekil 2'de açıkça görülmektedir. 1. Plazma, transformatörün sekonder sargısının tek kapalı dönüşü olarak hizmet veren toroidal bir vakum odasında oluşturulur. Bir transformatörün primer sargısında zamanla artan bir akım geçerken 1 vakum odasının içinde 5 bir girdap boyuna elektrik kuvveti yaratılır. alan. Başlangıçtaki gaz çok büyük olmadığında (genellikle hidrojen veya onun izotopları kullanıldığında) elektrik gücü ortaya çıkar. parçalanır ve vakum odası plazma ile doldurulur ve ardından büyük bir uzunlamasına akım artar. IP. Modern büyük T. plazmadaki akım birkaç tanedir. milyon amper. Bu akım kendi poloidal (plazma kesit düzleminde) manyetik alanını yaratır. alan İÇİNDE Q. Ayrıca plazmayı stabilize etmek için güçlü bir uzunlamasına mıknatıs kullanılır. alan B f, özel kullanılarak oluşturulmuş toroidal mıknatısın sargıları. alanlar. Toroidal ve poloidal mıknatısların birleşimidir. alanlar, yüksek sıcaklıktaki plazmanın stabil bir şekilde hapsedilmesini sağlar (bkz. Toroidal sistemler), uygulama için gerekli kontrollü termonükleer füzyon.

Pirinç. 1. Tokamak diyagramı: 1 - birincil sargı transbiçimlendirici; 2 - toroidal manyetik alan bobinleri; 3 - gravür için astar, ince duvarlı iç bölmetoroidal elektrik alanının azaltılması; 4 - makaraki poloidal manyetik alan; 5 - vakum kamera; B-demir çekirdek (manyetik çekirdek).

Çalışma sınırları. Magn. T alanı yüksek sıcaklıktaki plazmayı oldukça iyi tutar, ancak parametrelerindeki değişimin yalnızca belirli sınırları dahilindedir. İlk 2 kısıtlama plazma akımı için geçerlidir IP ve onun bkz. yoğunluk P 1 m3 başına parçacık (elektron veya iyon) sayısı cinsinden ifade edilir. Toroidal mıknatısın belirli bir değeri için olduğu ortaya çıktı. alanında, plazma akımı belirli bir sınırlayıcı değeri aşamaz, aksi takdirde plazma kordonu sarmal bir çizgi boyunca bükülmeye başlar ve sonunda çöker: sözde. mevcut kesinti istikrarsızlığı. Sınırlayıcı akımı karakterize etmek için bir katsayı kullanılır. stoklamak Q ilişki tarafından belirlenen vida kararsızlığı ile q = 5B J a 2 /RI p. Burada A- küçük, R- plazma kablosunun geniş yarıçapı, B j - toroidal mag. alan, IP- plazmadaki akım (boyutlar metre cinsinden, manyetik alan - tesla cinsinden, akım - MA cinsinden ölçülür). Bir plazma sütununun stabilitesi için gerekli bir koşul eşitsizliktir Q>], sözde. k r i teri m K r u-ska la - Shafranova. Deneyler, güvenilir ve kararlı bir tutma modunun yalnızca değerlerinde elde edildiğini göstermektedir.

Yoğunluk için alt ve üst olmak üzere 2 sınır vardır. Daha düşük Yoğunluk sınırı sözde oluşumu ile ilişkilidir. hızlandırılmış veya kaçak elektronlar. Düşük yoğunluklarda, elektronların iyonlarla çarpışma sıklığı, onların boylamsal elektrik alanında sürekli hızlanma moduna geçişini önlemek için yetersiz hale gelir. alan. Yüksek enerjilere hızlandırılan elektronlar, vakum odasının elemanları için tehlike oluşturabilir, bu nedenle plazma yoğunluğu, hızlandırılmış elektron kalmayacak kadar yüksek seçilir. Öte yandan, yeterince yüksek bir yoğunlukta, plazma sınırındaki radyasyon ve atomik işlemler nedeniyle plazma sınırlama modu tekrar kararsız hale gelir, bu da mevcut kanalın daralmasına ve plazmanın sarmal kararsızlığının gelişmesine yol açar. Tepe. yoğunluk sınırı boyutsuz parametrelerle karakterize edilir My-crayfish M=nR/B j ve devla H=nqR/B j (burada kesit boyunca ortalama elektron yoğunluğudur) N 10 20 parçacık/m3 birimleriyle ölçülmüştür). Stabil plazma hapsi için sayıların M Ve H belirli kritik değerleri aşmadı değerler.

Plazma ısındığında ve basıncı arttığında, plazma basıncının maksimum kararlı değerini karakterize eden başka bir sınır ortaya çıkar; p = n(T e +T i), Nerede Te, Ti-elektronik ve iyon sıcaklıkları. Bu sınır, cf oranına eşit olan b değerine uygulanır. Plazma basıncının manyetik basınca oranı. alanlar; b sınır değeri için basitleştirilmiş bir ifade Troyon ilişkisi b ile verilir c =gI p /aB j, nerede G-sayısal faktör yaklaşık 3'e eşittir. 10-2.

Isı yalıtımı. Plazmanın çok yüksek sıcaklıklara ısıtılması olasılığı güçlü bir manyetik alandan kaynaklanmaktadır. şarj yörünge alanı parçacıklar manyetik bir çizgiye sarılmış spirallere benziyor. alanlar. Bu sayede elektronlar ve iyonlar plazmanın içinde uzun süre tutulur. Ve yalnızca çarpışmalar ve küçük elektriksel dalgalanmalar nedeniyle. ve mag. Bu parçacıkların enerjisi, ısı akışı şeklinde duvarlara aktarılabilir. Aynı mekanizmalar difüzyon akılarının büyüklüğünü de belirler. Manyetik verimlilik Plazmanın ısı yalıtımı enerji ile karakterize edilir. ömür t E = W/P, Nerede K-plazmanın toplam enerji içeriği, a P- onu sabit bir durumda tutmak için gereken plazma ısıtma gücü. Değer t eısıtma gücünün aniden kesilmesi durumunda plazmanın karakteristik soğuma süresi olarak da düşünülebilir. Sessiz bir plazmada, elektronların ve iyonların ikili çarpışmaları nedeniyle odanın duvarlarına parçacık ve ısı akışı oluşur. Bu akışlar, gerçek yük yörüngeleri dikkate alınarak teorik olarak hesaplanır. Mag başına parçacıklar. alan T. İlgili difüzyon süreçleri teorisi denir. neoklasik (bkz. Geçiş süreçleri Gerçek plazma T.'de her zaman alanlarda ve parçacık akılarında küçük dalgalanmalar vardır, bu nedenle gerçek ısı ve parçacık akı seviyeleri genellikle neoklasik olanların tahminlerini önemli ölçüde aşar. teoriler.

Birçok T. decomp üzerinde deneyler yapıldı. şekiller ve boyutlar, transfer mekanizmalarına ilişkin çalışmaların sonuçlarının ilgili ampirik çalışmalar şeklinde özetlenmesini mümkün kıldı. bağımlılıklar. Özellikle enerji bağımlılıkları bulundu. ömür t E anadan ayrışma için plazma parametreleri. modu basılı tutun. Bu bağımlılıklara denir s ke ling a mi; yeni devreye alınan tesislerde plazma parametrelerini tahmin etmek için başarıyla kullanılırlar.

Plazmanın kendi kendine organizasyonu. Plazma T.'de, yarıçap boyunca sıcaklık, parçacık yoğunluğu ve akım yoğunluğunun dağılımının profillerini sanki onları kontrol ediyorlarmış gibi etkileyen, her zaman zayıf doğrusal olmayanlar vardır. Özellikle merkeze. Plazma kordonunun alanları sözde olarak çok sık mevcuttur. testere dişi salınımları, periyodik olarak tekrarlanan kademeli alevlenme sürecini ve ardından sıcaklık profilinde keskin bir düzleşmeyi yansıtır. Rampa şeklindeki salınımlar akımın mıknatısa doğru büzülmesini önler. torus ekseni (bkz. Gaz deşarj daralması). Ek olarak, T.'de zaman zaman, kordonun dışında düşük frekanslı manyetik dalgalar şeklinde gözlenen sarmal modlar uyarılır (sözde tiring modları). tereddüt. Yorucu modlar, yarıçap boyunca akım yoğunluğunun daha istikrarlı bir dağılımının oluşturulmasına katkıda bulunur. Plazma yeterince dikkatli kullanılmaz ise yırtılma modları o kadar güçlü hale gelebilir ki, neden oldukları manyetik bozulmalar alanlar mıknatısları yok eder. Plazma kordonunun tüm hacmi boyunca yüzeyler, manyetik. konfigürasyon bozulur, plazma enerjisi duvarlara salınır ve güçlü soğutma nedeniyle plazmadaki akım durur (bkz. Yırtılma istikrarsızlığı).

Bu hacimsel salınımlara ek olarak, plazma kolonunun sınırında lokalize olan salınım modları da vardır. Bu modlar, plazmanın çevredeki durumuna çok duyarlıdır; davranışları atomik süreçler nedeniyle karmaşıktır. Dahili. ve dahili titreşim modları, ısı ve parçacık transferi süreçlerini güçlü bir şekilde etkileyebilir; aynı manyetik moddan plazma geçişine yol açarlar. diğerine ve arkaya ısı yalıtımı. Plazma T.'de parçacık hızı dağılımı 'den çok farklıysa, kinetik gelişme olasılığı ortaya çıkar. istikrarsızlıklar. Örneğin, çok sayıda kaçak elektronun ortaya çıkmasıyla, sözde Fan kararsızlığı, boylamsal elektron enerjisinin enine enerjiye dönüşmesine yol açar. Kinetik. tamamlayıcı olduklarında ortaya çıkan yüksek enerjili iyonların varlığında da kararsızlıklar gelişir. plazmanın ısıtılması.

Plazma ısıtma. Herhangi bir T.'nin plazması, içinden akan akımın Joule ısısı nedeniyle otomatik olarak ısıtılır. Joule enerji salınımı birkaç derecelik bir sıcaklık elde etmek için yeterlidir. milyon derece Kontrollü termonükleer füzyon amacıyla >10 8 K sıcaklıklara ihtiyaç vardır, bu nedenle tüm büyük T. güçlü sistemlerle desteklenir. plazma ısıtma. Bu amaçla her iki elektrik mıknatısı da kullanılır. dalgalar ayrıştı aralıkları veya hızlı parçacıkları plazmaya yönlendirir. Yüksek frekanslı plazma ısıtması için dahiliye karşılık gelen rezonansların kullanılması uygundur. salınım yapmak Plazmadaki süreçler. Örneğin, iyon bileşenini siklotron frekansları veya bazik harmonikler aralığında ısıtmak uygundur. plazma iyonları veya özel olarak seçilmiş katkı iyonları. Elektronlar, elektron siklotron rezonansı ile ısıtılır.

Hızlı parçacıklara sahip iyonları ısıtırken genellikle güçlü nötr atom ışınları kullanılır. Bu tür ışınlar manyetizma ile etkileşime girmez. alan ve plazmanın derinliklerine nüfuz ederek iyonize olup manyetizma tarafından yakalanırlar. alan T.

Ek ısıtma yöntemlerinin yardımıyla, plazma sıcaklığı T.'yi >3·10 8 K'ye yükseltmek mümkündür; bu, güçlü bir termonükleer reaksiyonun meydana gelmesi için oldukça yeterlidir. Gelecekte geliştirilecek olan T.-reaktörlerinde, plazma ısıtması, döteryum ve trityum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonundan kaynaklanan yüksek enerjili alfa parçacıkları tarafından gerçekleştirilecektir.

Sabit tokamak. Tipik olarak akım, plazmada yalnızca girdaplı elektrik akımının varlığında akar. Manyetik alanın arttırılmasıyla oluşturulan alan. indüktördeki akış. Akımı korumaya yönelik endüktif mekanizma zamanla sınırlıdır, bu nedenle karşılık gelen plazma sınırlama modu darbelidir. Bununla birlikte, darbeli mod mümkün olan tek mod değildir; plazmanın ısıtılması, enerjinin yanı sıra plazmanın farklı bileşenleri için farklı bir darbenin de plazmaya aktarılması durumunda akımı korumak için de kullanılabilir. Endüktif olmayan akım bakımı, duvarlara doğru difüzyon genişlemesi sırasında plazmanın kendisi tarafından akım üretilmesi nedeniyle kolaylaştırılır (önyükleme etkisi). Önyükleme etkisi neoklasik bilim adamları tarafından tahmin edildi. teori ve daha sonra deneysel olarak doğrulandı. Deneyler, T. plazmanın sabit tutulabileceğini ve Ch. pratik olarak çabalar Sabit modun geliştirilmesi, mevcut bakımın verimliliğini arttırmayı amaçlamaktadır.

Yönlendirici, kirlilik kontrolü. Kontrollü termonükleer füzyonun amaçları için, hidrojen izotoplarına dayanan çok saf plazma gereklidir. Plazmadaki diğer iyonların karışımını sınırlamak için, erken T.'de plazma sözde ile sınırlıydı. sınırlayıcı oda (Şek. 2, A) yani plazmanın odanın geniş yüzeyiyle temas etmesini önleyen bir diyafram. Modern T. çok daha karmaşık bir saptırıcı konfigürasyonu kullanılır (Şekil 2, B) poloidal mıknatıs bobinleri tarafından oluşturulmuştur. alanlar. Bu bobinler yuvarlak kesitli plazma için bile gereklidir: onların yardımıyla dikey manyetik bileşen oluşturulur. ana ile etkileşimde bulunurken alanlar, kenarlar. plazma akımı, plazma bobininin duvara büyük bir yarıçap yönünde atılmasına izin vermez. Yönlendirici konfigürasyonunda poloidal mıknatısın dönüşleri. alanlar, plazma kesiti dikey yönde uzatılacak şekilde yerleştirilir. Aynı zamanda kapalı manyetik yüzeyler yalnızca içeride korunur; dışarıda, kuvvet hatları, ana şebekeden akan plazma akışlarının nötrleştirildiği saptırma odalarının içine girer. hacim. Yönlendirme odalarında, ekleme nedeniyle yönlendirme plakaları üzerindeki plazmadan gelen yükün yumuşatılması mümkündür. Atomik etkileşimler sırasında plazmanın soğuması.

Pirinç. 2. Dairesel kesitli plazmanın kesiti ( A) ve bir saptırıcı konfigürasyonu oluşturacak şekilde dikey olarak uzatılmıştır ( 6): 1-plazma; 2- sınırlayıcı; 3 - oda duvarı; 4 - ayrılıkçı; 5-yönlendirici odası; 6 - yönlendirme plakaları.

Tokamak reaktörü. Ch. T. tesisleri üzerine araştırmanın amacı manyetik kavramına hakim olmaktır. Yaratıklar için Plazma Muhafazası Füzyon reaktörü. T.'de, bir termonükleer reaktör için yeterli sıcaklık ve yoğunluğa sahip, stabil, yüksek sıcaklıkta bir plazma oluşturmak mümkündür; plazmanın ısı yalıtımına ilişkin yasalar oluşturulmuştur; Akımı koruma ve safsızlık seviyesini kontrol etme yöntemlerinde uzmanlaşılmıştır. T. üzerinde çalışma tamamen fiziksel aşamadan geçiyor. Deney oluşturma aşamasında araştırma. .

Aydınlatılmış.: Artsimovich L.A., Yönetilen, 2. baskı, M., 1963; Lukyanov S. Yu., Sıcak plazma ve kontrollü nükleer füzyon, M., 1975; Kadomtsev B.V., Tokamak plazması karmaşık bir fiziksel sistem, L., 1992. B. B. Kadomtsev.

Tokamak (manyetik bobinli toroidal oda), kontrollü termonükleer füzyonun gerçekleşmesi için gerekli koşulları elde etmek amacıyla plazmayı manyetik olarak sınırlandırmaya yönelik toroidal bir kurulumdur. Tokamaktaki plazma, sıcaklığına yalnızca belirli bir sınıra kadar dayanabilen odanın duvarları tarafından değil, özel olarak oluşturulmuş bir manyetik alan tarafından tutulur. Plazmayı sınırlamak için manyetik alan kullanan diğer kurulumlarla karşılaştırıldığında tokamak özelliği, plazmayı sıkıştırmak, ısıtmak ve dengesini korumak için gerekli poloidal alanı oluşturmak için plazmadan akan bir elektrik akımının kullanılmasıdır. Bu, özellikle manyetik bobinler kullanılarak hem toroidal hem de poloidal alanların oluşturulduğu alternatif sınırlama şemalarından biri olan yıldızlaştırıcıdan farklıdır. Ancak plazma filamanı kararsız bir denge örneği olduğundan tokamak projesi henüz hayata geçirilmedi ve kurulumu zorlaştıracak son derece pahalı deneyler aşamasında.

Şunu da belirtmek gerekir ki, bölünebilir reaktörlerden farklı olarak (her biri başlangıçta kendi ülkelerinde ayrı ayrı tasarlanıp geliştirildi), tokamak şu anda uluslararası bilimsel proje ITER çerçevesinde ortaklaşa geliştiriliyor.

Tokamak manyetik alanı ve akı.

Hikaye

SSCB posta pulu, 1987.

Endüstriyel amaçlar için kontrollü termonükleer füzyon kullanma önerisi ve yüksek sıcaklıktaki plazmanın bir elektrik alanıyla ısıl yalıtımını kullanan özel bir şema, ilk olarak Sovyet fizikçi O. A. Lavrentiev tarafından 1950'lerin ortasındaki bir çalışmada formüle edildi. Bu çalışma, kontrollü termonükleer füzyon sorununa ilişkin Sovyet araştırmaları için bir katalizör görevi gördü. 1951'de A.D. Sakharov ve I.E. Tamm, plazmanın torus şekline sahip olacağı ve manyetik bir alan tarafından tutulacağı bir termonükleer reaktör için teorik bir temel önererek şemanın değiştirilmesini önerdiler.

"Tokamak" terimi daha sonra Akademisyen Kurchatov'un öğrencisi Igor Nikolaevich Golovin tarafından icat edildi. Başlangıçta kulağa "tokamag" gibi geliyordu - "toroidal manyetik oda" kelimelerinin kısaltması, ancak ilk toroidal sistemin yazarı N.A. Yavlinsky, ahenk için "-mag" yerine "-mac" ifadesini önerdi. Daha sonra bu isim birçok dil tarafından ödünç alındı.

İlk tokamak 1955 yılında inşa edildi ve tokamaklar uzun süre yalnızca SSCB'de mevcuttu. Ancak 1968'den sonra, Atom Enerjisi Enstitüsü'nde T-3 tokamak inşa edildiğinde. I.V. Kurchatov, Akademisyen L.A. Artsimovich'in önderliğinde 10 milyon derecelik plazma sıcaklığına ulaşıldı ve İngiliz bilim adamları, ilk başta inanmayı reddettikleri bu gerçeği, dünyada gerçek bir tokamak patlamasının başladığını ekipmanlarıyla doğruladılar. 1973'ten beri tokamaklar üzerindeki plazma fiziği araştırma programına Boris Borisovich Kadomtsev başkanlık ediyordu.

Şu anda kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması için en umut verici cihaz tokamak olarak kabul ediliyor.

Cihaz

Tokamak, toroidal bir manyetik alan oluşturmak için üzerine bobinlerin sarıldığı toroidal bir vakum odasıdır. Hava önce vakum odasından dışarı pompalanır ve ardından döteryum ve trityum karışımı ile doldurulur. Daha sonra bir indüktör kullanılarak haznede bir girdap elektrik alanı oluşturulur. İndüktör, tokamak odasının ikincil sargı olduğu büyük bir transformatörün birincil sargısıdır. Elektrik alanı akımın akmasına ve plazma odasını tutuşturmasına neden olur.

Plazmadan geçen akım iki görevi yerine getirir:

plazmayı diğer iletkenlerle aynı şekilde ısıtır (ohmik ısıtma);

kendi etrafında manyetik bir alan yaratır. Bu manyetik alana poloidal denir (yani küresel koordinat sisteminin kutuplarından geçen çizgiler boyunca yönlendirilir).

Manyetik alan plazmadan akan akımı sıkıştırır. Sonuç olarak, sarmal manyetik alan çizgilerinin plazma kordonunu "büktüğü" bir konfigürasyon oluşur. Bu durumda, toroidal yöndeki dönüş sırasındaki adım, poloidal yöndeki adımla çakışmaz. Manyetik çizgilerin kapalı olmadığı ortaya çıkıyor; torusun etrafında sonsuz sayıda bükülerek toroidal bir şeklin sözde "manyetik yüzeylerini" oluşturuyorlar.

Böyle bir sistemde stabil plazma hapsi için poloidal bir alanın varlığı gereklidir. İndüktördeki akımın arttırılmasıyla oluşturulduğu ve sonsuz olamayacağı için klasik tokamaklarda plazmanın kararlı varoluş süresi sınırlıdır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için akımı korumaya yönelik ek yöntemler geliştirilmiştir. Bu amaçla plazmaya hızlandırılmış nötr döteryum veya trityum atomlarının enjeksiyonu veya mikrodalga radyasyonu kullanılabilir.

Plazma kablosunu kontrol etmek için toroidal bobinlere ek olarak ek polooidal alan bobinleri gereklidir. Tokamak odasının dikey ekseni etrafındaki halka dönüşleridir.

Akım akışı nedeniyle tek başına ısıtma, plazmayı termonükleer reaksiyon için gereken sıcaklığa ısıtmak için yeterli değildir. Ek ısıtma için, rezonans frekansları adı verilen frekanslarda (örneğin, elektronların veya iyonların siklotron frekansına denk gelen) veya hızlı nötr atomların enjeksiyonunda mikrodalga radyasyonu kullanılır.

Tokamaklar ve özellikleri

Dünyada toplamda yaklaşık 300 tokamak inşa edildi. Bunlardan en büyükleri aşağıda listelenmiştir.

SSCB ve Rusya

T-3 ilk işlevsel cihazdır.

T-4 - T-3'ün büyütülmüş versiyonu

T-7, dünyada ilk kez, sıvı helyumla soğutulan kalay niyobat bazlı süper iletken solenoide sahip nispeten büyük bir manyetik sistemin uygulandığı benzersiz bir kurulumdur. T-7'nin ana görevi tamamlandı: termonükleer güç için yeni nesil süper iletken solenoidlerin beklentisi hazırlandı.

T-10 ve PLT dünya termonükleer araştırmalarının bir sonraki adımıdır; neredeyse aynı boyuttadırlar, eşit güçtedirler ve aynı sınırlama faktörüne sahiptirler. Ve elde edilen sonuçlar aynı: her iki reaktörde de termonükleer füzyon sıcaklığına ulaşıldı ve Lawson kriterine göre gecikme 200 kattı.

T-15, 3,6 Tesla'lık bir indüksiyon alanı sağlayan süper iletken solenoide sahip günümüzün bir reaktörüdür.

Çin

DOĞU - Anhui Eyaleti, Hefei Şehrinde yer almaktadır. Tokamak'ta ateşleme seviyesi için Lawson kriteri aşıldı, enerji çıkış katsayısı 1,25 oldu

Ülke bütçesinden inşaata 7 milyar tenge yatırıldı ve finansman kaynağı arayışında 6 yıl zorunlu kesinti yapıldı. Kazak malzeme bilimi tokamak projesi kapanmanın eşiğindeydi. Ancak uluslararası işbirliğinin yeni yönleri sayesinde durum kökten değişti. Gazeteci Grigory Bedenko, Kurchatov'u ziyaret etti ve özellikle Infromburo.kz için kontrollü termonükleer füzyon alanındaki araştırma umutları hakkında bir rapor hazırladı.

Biraz tarih

20. yüzyılın ortalarında dünyanın en gelişmiş ülkeleri atom enerjisine çok hızlı bir şekilde hakim olmuş ve onu hem askeri silah programlarında kullanmayı hem de barışçıl amaçlarla büyük miktarlarda termal ve elektrik enerjisi üretmeyi öğrenmişlerdir. Ancak atom çekirdeğinin kontrollü bozunma sürecinin çevre için son derece güvensiz olduğu ortaya çıktı. Nükleer santrallerdeki kazalar ve yüksek seviyeli atıkların bertaraf edilmesindeki büyük problem, bu tür enerjinin potansiyelini yok etti. Daha sonra yüzyılın ortasında bilim insanları kontrollü termonükleer füzyonun bir alternatif olabileceği hipotezini öne sürdüler. Uzmanlar, yıldızların derinliklerinde meydana gelen süreçlerin karasal koşullar altında tekrarlanmasını ve sadece onları kontrol etmeyi değil, aynı zamanda medeniyetin varlığı için gerekli miktarlarda enerji elde etmeyi de öğrenmeyi önerdi. Bilindiği gibi termonükleer füzyon, hafif hidrojen çekirdeklerinin helyum oluşumuyla daha ağır çekirdeklere füzyonu prensibine dayanmaktadır. Bu durumda, ağır elementlerin çekirdeklerinin muazzam enerji salınımıyla daha hafif olanlara bölündüğü ve periyodik tablonun çeşitli elementlerinin izotoplarının oluştuğu ters işlemden çok daha fazla enerji açığa çıkar. Termonükleer reaktörlerde zararlı etkiler veya tehlikeli üretim atıkları bulunmamaktadır.

Uluslararası deneysel termonükleer reaktör ITER'in şeması

Termonükleer füzyon sürecinin silah programları için oldukça kolay bir şekilde yeniden yaratılması ilginçtir, ancak barışçıl enerji projelerinin geliştirilmesinin neredeyse imkansız bir görev olduğu ortaya çıktı. Hidrojen bombasının asıl amacı aslında nanosaniyeler içinde gerçekleşen füzyon sürecini başlatmaktır. Ancak güçlü bir termonükleer reaktör özel koşullar gerektirir. Enerji elde etmek için yüksek sıcaklıktaki plazmayı belirli bir süre kontrollü bir durumda tutmak gerekir - 10 ila 30 milyon santigrat dereceye kadar ısıtılır. Böyle bir plazmanın hapsedilmesiyle, hafif döteryum ve trityum çekirdeklerinin ağır çekirdeklere füzyonu için fiziksel koşullar yaratılır. Üstelik plazmanın ısıtılması ve hapsedilmesi için harcanan enerjiden daha fazlasının açığa çıkması gerekir. Pozitif enerji salınım katsayısına sahip kontrollü termonükleer füzyonlu tek bir darbenin en az 500 saniye sürmesi gerektiğine inanılmaktadır. Ancak böyle bir süre ve bu sıcaklıklarda, gelecek vaat eden bir reaktörün tek bir yapısal malzemesi bile buna dayanamaz. Basitçe buharlaşacaktır. Ve dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları, yarım yüzyıldan fazla bir süredir malzeme bilimi sorunuyla neredeyse hiçbir sonuç alamadan mücadele ediyor.

Kazakistan malzeme bilimi tokamak'ında elde edilen plazma / Kazakistan Cumhuriyeti Ulusal Nükleer Merkezi Atom Enerjisi Enstitüsü tarafından sağlanan malzemeler

Atom Enerjisi Enstitüsü NNC RK tarafından sağlanan malzemeler

Bu son derece ağır çekim video, bir Kazakistan tokamakında (Kazakistan Cumhuriyeti Ulusal Nükleer Merkezi Atom Enerjisi Enstitüsü tarafından sağlanan malzemeler) plazma oluşumunu göstermektedir.

CFT'de plazma oluşumu

Tokamak ve Stellarator nedir?

İlk kurulum Sovyetler Birliği'nde geliştirildiğinden kısaltma Rusça'dır. Tokamak, manyetik bobinlere sahip toroidal bir odadır. Simit, üç boyutlu geometrik bir şekildir (basit bir ifadeyle çörek şeklindedir) ve toroid, simit şeklindeki bir çerçevenin etrafına sarılmış ince bir teldir. Böylece tesisattaki yüksek sıcaklıktaki plazma simit şeklinde oluşturulur ve tutulur. Bu durumda tokamak'ın temel prensibi, plazmanın odanın duvarlarıyla etkileşime girmemesi, süper güçlü bir manyetik alan tarafından tutulduğu gibi uzayda asılı kalmasıdır. Plazmanın ısı yalıtımı şeması ve bu tür tesislerin endüstriyel amaçlarla kullanılma yöntemi ilk olarak Sovyet fizikçi Oleg Aleksandrovich Lavrentyev tarafından önerildi. İlk tokamak 1954 yılında inşa edildi ve uzun süre yalnızca SSCB'de mevcuttu. Bugüne kadar dünyada yaklaşık iki yüz benzer cihaz üretildi. Şu anda Rusya, ABD, Japonya, Çin ve Avrupa Birliği'nde kontrollü termonükleer füzyonun incelenmesi için kullanılan toroidal odalar bulunmaktadır. Bu alandaki en büyük uluslararası proje ITER'dir (bu konuya daha sonra değineceğiz). Kazakistan'da malzeme bilimi tokamakının inşasının başlatıcısı, Rus Kurchatov Enstitüsü başkanı Akademisyen Evgeny Pavlovich Velikhov'du. 1975'ten beri Sovyet kontrollü füzyon reaktörü programına başkanlık etti. Eski Semipalatinsk nükleer test sahasında bir tesis inşa etme fikri, 1998 yılında Velikhov'un Kazakistan Cumhuriyeti Cumhurbaşkanı Nursultan Nazarbayev ile görüşmesi sırasında ortaya çıktı.

Bir yıldız cihazında plazma hapsi şeması / Atom Enerjisi Enstitüsü NNC RK tarafından sağlanan malzemeler

Stellaratör, kontrollü termonükleer füzyon gerçekleştirmek için tokamak'a alternatif bir reaktör türüdür. 1950'de Amerikalı astrofizikçi Lyman Spitzer tarafından icat edildi. Adı, yıldızların içindeki ve insan yapımı bir kurulumdaki süreçlerin benzerliğini gösteren Latince stella (yıldız) kelimesinden gelmektedir. Temel fark, plazmayı odanın iç duvarlarından izole etmek için kullanılan manyetik alanın tamamen harici bobinler tarafından oluşturulması ve bu da sürekli modda kullanılmasına olanak sağlamasıdır. Yıldızlaştırıcıdaki plazma "buruşuk bir çörek" şeklinde oluşuyor ve olduğu gibi bükülüyor. Bugün Rusya'da, Ukrayna'da, Almanya'da ve Japonya'da araştırma yıldızları var. Üstelik dünyanın en büyük yıldız gemisi Wendelstein 7-X (W7-X), geçtiğimiz günlerde Almanya'da piyasaya sürüldü.

Kazakistan malzeme bilimi tokamak / Grigory Bedenko

Bunların hepsi araştırma tesisleri," diyor KTM projesinin bilimsel grubunun başkanı. Stellarator, manyetik alanının konfigürasyonunda farklılık gösteriyor. Bir tokamakta, plazmayı tutmak için toroidal sarım ve poloidal dış sarım adı verilen bir sarım kullanılır. Ancak yıldızlaştırıcıda durum tam tersidir - spiral içinde hem toroidal hem de poloidal işlevleri yerine getiren bir sarmal yara vardır. Tokamak başlangıçta darbeli bir kurulumdur ve yıldızlaştırıcı daha sabit bir kurulumdur, yani bükülmüş sargının avantajı plazmayı süresiz olarak tutmanıza olanak tanır. Stellaratörler tokamaklarla aynı zamanda geliştirildi ve bir zamanlar tokamaklar plazma parametrelerinde başı çekiyordu. Tokamakların “alay”ı tüm dünyada başladı. Ancak yine de yıldız oyuncular gelişiyor. Japonya'da mevcutlar; yakın zamanda Almanya'da inşa edildiler - Wendelstein 7-X (W7-X) işletmeye alındı. ABD'de bir yıldız var. Ek olarak, kısmen manyetik plazma hapsine sahip çok sayıda her türden araştırma tesisi vardır - bunlar çeşitli tuzaklardır. Küçük bir hedefin lazer radyasyonu ile ısıtılması durumunda eylemsiz termonükleer füzyon da vardır. Bu çok küçük bir termonükleer patlama.

Tesisatın üst kısmının üniteleri ve aksamları / Grigory Bedenko

Yine de tokamak, günümüzde endüstriyel termonükleer reaktör olarak en umut verici olanı olarak kabul ediliyor.

KTM'nin yer aldığı teknolojik bina / Grigory Bedenko

Kazakistan'da Tokamak

Kazakistan kurulumu, 2010 yılında eski Semipalatinsk test sahası Kurchatov şehrinin idari bölgesinde özel olarak belirlenmiş bir sahada inşa edildi. Kompleks, tokamak bileşenlerini ve montajlarını barındıran çeşitli teknolojik binaların yanı sıra atölyeler, veri işleme odaları, personel konaklama yerleri vb.'den oluşmaktadır. Proje Rusya'da Ulusal Termonükleer Araştırma Merkezi (Kurchatov Enstitüsü) temelinde geliştirildi. Vakum odası, manyetik bobinler vb., adını taşıyan Elektrofiziksel Ekipman Araştırma Enstitüsü'nde tasarlanıp montajı yapıldı. D.V. Evremov (EFA Araştırma Enstitüsü), otomasyon - Tomsk Politeknik Enstitüsü'nde. Projeye Rusya tarafından katılanlar arasında Tüm Rusya Akımlar Enstitüsü (NII TVCH), TRINITI (Troitsk Yenilikçi ve Termonükleer Araştırma Enstitüsü) de vardı. Kazakistan'ın genel tasarımcısı Promenergoproekt LLP idi ve Kazelektromontazh UPC kompleksi doğrudan kuruldu. Tüm çalışmalar tamamlandıktan sonra CTM devreye alındı ve ilk plazma üretildi. Daha sonra projenin finansmanı durduruldu ve tokamak, altı uzun yıl boyunca pahalı, yüksek teknolojili bir turistik cazibe merkezine dönüştü.

KTM / Grigory Bedenko için güçlendirme ekipmanlarının montajı

KTM'nin ikinci hayatı

Proje, Astana'daki EXPO 2017 arifesinde yeniden başlatıldı. Geleceğin enerjisine adanan Dünya Sergisi konseptine mükemmel bir şekilde uyuyor. 9 Haziran'da çok sayıda gazetecinin katılımıyla kurulum yeniden başlatıldı. Lansmanda Rus geliştiriciler de hazır bulundu. Törende de belirtildiği gibi, fiziksel lansmanın ilk aşamasının amacı standart KTM sistemlerinde hata ayıklama ve test yapmaktır. Ayrıca Kazakistan Cumhuriyeti Ulusal Nükleer Merkezi başkanı Erlan Batyrbekov'a göre, Kazak tokamakını temel alarak farklı ülkelerden bilim adamları, mevcut endüstriyel reaktörlerin modernizasyonu da dahil olmak üzere geniş bir yelpazede araştırmalar yürütebilecek.

KTM'nin AC dönüştürücüsü fütüristik bir görünüme sahip / Grigory Bedenko

Daha sonra durum daha da olumlu bir yönde gelişti. Astana'da düzenlenen Bakanlar Konferansı ve VIII. Uluslararası Enerji Forumu sırasında Kazakistan, Uluslararası ITER Örgütü'nün ortak üyesi olmak için resmi bir davet aldı. Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör, bir grup ülke tarafından termonükleer enerjinin ticari kullanım olasılığını göstermenin yanı sıra bu alandaki fiziksel ve teknolojik sorunları çözmek için yaratılıyor. Özünde ITER devasa ve çok karmaşık bir tokamaktır. Projeye Avrupa Birliği ülkeleri, Hindistan, Çin, Güney Kore, Rusya, ABD, Japonya ve şimdi de ülkemiz katılıyor. Kazakistan'dan konuyla ilgili araştırmalar, Ulusal Nükleer Merkez ve Kazak Ulusal Üniversitesi Deneysel ve Teorik Fizik Araştırma Enstitüsü'nden uzmanlar tarafından yürütülecek. Al-Farabi, Nükleer Fizik Enstitüsü, Ulba Metalurji Tesisi, KazNIPIEnergoprom ve Kazelektromash. ITER, Marsilya'ya 60 kilometre uzaklıktaki Fransa'da oluşturulacak. Şu anda projenin maliyetinin 19 milyar euro olduğu tahmin ediliyor. Kurulumun lansmanının 2025 yılında yapılması planlanıyor.

Baurzhan Chektybaev / Grigory Bedenko

Baurzhan Chektybaev, CT projesinin bilimsel grubunun başkanıM

10 Haziran'da ITER ile KTM arasında ortak araştırmalara ilişkin bir mutabakat anlaşması imzalandı. Bu anlaşma çerçevesinde şu anda Uluslararası Organizasyon ITER ile etkileşime yönelik bir proje hazırlanmaktadır. Tesisatımızla ilgileniyorlar. ITER projesinin kendisi de basit değil, malzeme sorunu var. Proje kapsamında tungsten ve berilyumu inceleyeceğiz. ITER'in belirli bileşenleri ve parçaları bu malzemeden yapılacaktır. Onları içeri sokacağız. ITER reaktörünün ilk duvarının tamamı tungsten ve berilyum fayanslarla kaplanacak. Vakum odasının kendisi, içine plazma akışlarının aktığı bir yönlendiriciden oluşur; en yoğun yer var - metrekare başına 20 MW. Tungsten olacak. İlk duvarın geri kalanı berilyumla kaplanacak.

KTM teknolojik açıdan oldukça karmaşık bir sistemdir / Grigory Bedenko

- NedenİTERtokamak'ımızla bu kadar ilgileniyor musunuz?

Malzeme bilimine ek olarak kurulumumuzun görevi plazma fiziğini incelemektir. CTM, en boy oranı açısından benzersizdir. Tokamaklar için ana olanlardan biri olan böyle bir parametre var - büyük yarıçapın eksenden plazmanın merkezine kadar küçük olana, yani plazma ekseninden kenarlarına oranı. Bizim için bu parametre ikiye eşittir. Aynı ITER'de - 3.1. Sayısı 3'ün üzerinde olan tüm tokamaklar klasiktir. Tokamakların modern bir yönü var - bunlar, en boy oranının 2'den az olduğu küresel tokamaklardır - bir buçuk ve hatta daha düşük - bunlar serin, neredeyse küresel odalardır. Bizim tokamakımız, klasik ve küresel tokamaklar arasında sınırda bir konumda yer almaktadır. Henüz böyle bir kurulum yapılmadı ve burada plazmanın davranışı üzerine ilginç araştırmalar yapılacağını düşünüyorum. Bu tür tesisler geleceğin hibrit reaktörleri veya hacimsel nötron kaynakları olarak değerlendiriliyor.

KTM vakum odasının alt kısmı / Fotoğraf: Grigory Bedenko

- İşbirliği ne kadar umut verici?İTER?Projeyi kurtaracak mı?

2010 yılında, o sırada mevcut olan ekipman ve hazırlıkların kullanıldığı bir deneme lansmanı yapıldı. Görev, kurulumun “nefes aldığını” ve çalışabildiğini göstermekti. Aynı onuncu yılda finansmanımız bitti. Daha sonra altı yıl hareketsizlik yaşandı. Bunca zaman bütçe için savaşıyorduk. Daha önce 2006 yılında onaylanmıştı ve tamamen revize edilmesi gerekiyordu. Ekipmanlarımızın yaklaşık %80'i yabancıdır ve küresel finansal sistemdeki iyi bilinen olaylar bağlamında, tesis başlangıçta planlanandan çok daha pahalı hale gelmiştir. 2016 yılında proje bütçesinde düzenleme yapıldıktan sonra ek finansman tahsis edildi. Kurulum şimdiden Kazak bütçesine 7 milyar tengeye mal oldu. Buna inşaat ve montaj işleri, vakum odası ve elektromanyetik sistem imalatı da dahildir.

Araştırmacılar her işte usta olmalıdır / Grigory Bedenko

- Ne oluyor şuan? Haziran ayında bir deneme çalışması yapıldı.

Artık KTM'nin yaratılışı son aşamada. Şu anda ana ve yardımcı sistemlerin kurulum ve devreye alma çalışmaları devam etmektedir. İhaleyi kazanan genel müteahhitle anlaşma sağladık. İki şirket var, biri inşaat ve montaj işleri, ikincisi devreye alma işi yapıyor. “KazIntelgroup” inşaat ve montaj işleri yapmakta, “XXI.Yüzyılın Kalite Garantörü” ise devreye alma işlerini yapmaktadır. Tesisin inşaatının bu yıl tamamlanması planlanıyor. Ardından yıl sonundan önce fiziksel bir lansman gerçekleşecek. 2018 yılında tesis devreye alınacak ve tam ölçekli deneylere başlanacak. 3 yıl içerisinde kurulumun içerdiği nominal tasarım parametrelerine ulaşmayı ve ardından malzemeleri daha ayrıntılı olarak araştırmayı planlıyoruz.

KTM bazı yerlerde uzaylı gemisini andırıyor / Fotoğraf: Grigory Bedenko

- Çalışan seçimi konusunda nasılsınız?

Genç uzmanların çoğu Kazakistan'daki Ust-Kamenogorsk, Pavlodar ve Semey üniversitelerinden mezun. Bazıları Rus üniversitelerinden, örneğin Tomsk Politeknik Üniversitesi'nden mezun oldu. Personel sorunu çok ciddi. Projeye göre 120 kişi olması gerekiyor, 40 kişi çalışıyor, gelecek yıl kompleks faaliyete geçtiğinde personel alımı yapılacak. Ancak bu alanda uzman bulmak ayrı ve zor bir iştir.

KTM deney otomasyon sistemleri departmanı başkanı Dmitry Olkhovik

CFT'nin özelliği, bir döner saptırma cihazına sahip olmasıdır, yani incelenen tüm malzemeler odanın içinde döndürülebilir. Ayrıca bir aktarım ağ geçidi cihazı da bulunmaktadır. Bu, vakum odasının basıncını düşürmeden incelenen malzemelerin yeniden doldurulmasını mümkün kılar. Diğer kurulumlarda bazı zorluklar var: Eğer odanın basıncı boşaltılmışsa, yeni fırlatmalara yeniden hazırlanmak için en az bir veya iki haftaya ihtiyaç vardır. Basınçsızlaştırma işlemiyle zaman kaybetmeden test numunelerini tek bir kampanyada kolayca değiştirebiliriz. Bu kurulumun ekonomik avantajıdır.

Bazı yeni ekipman türleri hala orijinal ambalajında / Grigory Bedenko

- Deneyler nasıl gerçekleştirilecek?

Bu tür tesislerde yılda iki deneysel kampanya yürütülmektedir. Örneğin ilkbaharda bir kampanya yürütüyoruz, ardından yaz aylarında elde edilen verileri analiz edip daha ileri deneyler planlıyoruz. İkinci kampanya ise sonbaharda gerçekleşecek. Kampanyanın kendisi iki ila üç ay sürer. Güç füzyon reaktörü yaratma yolunda iki ana sorun var. Birincisi plazma üretme ve saklama teknolojisini geliştirmek, ikincisi ise plazma yüksek sıcaklık olduğundan doğrudan plazmaya hitap eden malzemeler geliştirmek. Büyük enerji akışları uçuyor ve malzemeyi etkiliyor. Malzeme de yok edilir ve dağılır. Ve bu parçacıkların plazmaya girişi son derece olumsuz bir etkiye sahiptir. Plazma yabancı maddelere karşı çok hassastır. Plazmayı soğuturlar ve sonunda söndürürler. Ayrıca yapısal malzemeler üzerindeki nötron etkileri konusu da var. Tokamak'ımız malzemeleri ısıya dayanıklılıklarını belirlemek için test edecek. Bu, püskürtülemez oldukları ve plazma ile uyumlu oldukları anlamına gelir. Tungsten ve berilyum bu tür malzemeler olarak incelenecektir. Onları test edeceğiz, ITER'de olduğu gibi yüksek plazma akışı koşulları altında nasıl davrandıklarını göreceğiz.

KTM / Grigory Bedenko'da çok büyük güç akımları kullanılıyor

- KTM'nin yenilenmesi için ne gibi çalışmalar yapılıyor?

Vakum sistemleri, soğutma sistemleri için teknolojik sistemlerin kurulumu. Bu çok karmaşık bir elektrik tesisatıdır. Manyetik alan elde etmek için ağdan çok fazla enerji almanız gerekir. Enerji dönüşümü için belli bir kompleks var. Darbeli güç kaynağı sisteminden başlayarak çok sayıda taşıyıcı transformatör kullanılmakta ve bir teristör dönüştürücü kompleksi kullanılmaktadır, yani çalışma, kontrol açısından oldukça karmaşık bir sistemdir ve sistem oldukça dağıtılmıştır. Yani tüm bu çalışmalar şu anda yapılıyor, güç kaynakları ayarlanıyor.

İş çok özenli / Grigory Bedenko

Yeni KTM ekipmanıyla çalışmak

Bu tür tesislerin çalışması çok büyük miktarda elektriğe ihtiyaç duyar. KTM çok tüketecek mi?

Nominal modda çalışırken ağdan elektrik alımı yaklaşık 80-100 MW olacaktır. Bir deney için. Ayrıca ağdan enerji pompalayacak standart bir ek ısıtma sistemi de bulunmaktadır.

Manyetik bobin güç kaynağı sistemi / Grigory Bedenko

Kazakistan'da nüfusun önemli bir kısmının radyofobisi olduğu biliniyor. Bunlar nükleer testlerin sosyo-psikolojik sonuçlarıdır. Araştırmanız ne kadar güvenli olacak?

Kontrollü termonükleer füzyonun alternatif çevre dostu bir enerji kaynağı olduğuna inanılmaktadır. Çernobil, Fukushima vb. kazaların burada fiziksel olarak gerçekleşmesi mümkün değil. Olabilecek en ciddi şey, plazmanın bulunduğu vakum odasının basıncının düşmesidir. Bu durumda plazma söndürülür ve haznedeki birkaç gram termonükleer yakıt dışarı sızar.

Kurulumun üst kısmı / Grigory Bedenko

Ve uzmanlarımızın büyük umutlar beslediği, bu tür araştırma tarihindeki en büyük uluslararası proje olan ITER hakkında birkaç ilginç gerçek daha. Yukarıda belirtildiği gibi ITER, bir düzineden fazla ülkeyi içeren uluslararası bir kuruluştur: Rusya, Fransa, Japonya, Çin, Hindistan, Avrupa Birliği, Kanada ve ABD. İlginç bir şekilde her ülkenin projeye katkısı bitmiş ürünler şeklinde yapılıyor. Örneğin Rusya, süper iletkenlere, güç ekipmanlarına vb. dayalı bazı kriyojenik sargılar üretiyor.

KTM / Grigory Bedenko'da güç kaynağı sisteminin kurulmasına yönelik çalışmalar

ITER henüz bir enerji tesisi değil, enerji sağlamayacak. Bu, enerji çıkışıyla plazma üretmenin fizibilitesini gösteren bir teknoloji gösterisidir. ITER'den sonra teknolojiler geliştirildiğinde halihazırda enerji sağlayacak bir gösteri reaktörü oluşturulacak. Bu, 21. yüzyılın 40-50'lerinde bir yerde gerçekleşecek. Yani bu konuyla ilgili araştırmaların başlamasından 100 yıl sonra.

KTM kontrol odası / Grigory Bedenko

ITER projesinin yaklaşık 500 saniyelik sürekli çalışması vardır. Darbe reaktörü. Prensip olarak 1000 saniyeye kadar süre sağlanır. - nasıl olacak? Tüm teknolojiler seçildiğinde, malzemeler ve tasarım onaylandığında DEMO oluşturulacaktır. Bu reaktörün Japonya'da inşa edilmesine zaten karar verildi.

KTM üniteleri / Grigory Bedenko

Görünüşe göre, bir termonükleer güç reaktörünün çalışma prensibi aşağıdaki gibi olacaktır. Plazmanın termal enerjisini emecek olan ilk element, kendi içinde ısı değişimi için kanallar içerecektir. O zaman her şey geleneksel bir enerji santralindekiyle aynı: ikincil devre soğutucusunu ısıtmak, türbinleri döndürmek ve elektrik enerjisi üretmek.

KTM reaktör salonunun genel görünümü / Grigory Bedenko

ITER'in fiziksel lansmanı 2025'te gerçekleşecek. 2028 yılında devreye girecek. Çalışmanın sonuçlarına dayanarak, termonükleer füzyondan elde edilen nötronların nükleer yakıtı bölmek için kullanıldığı hibrit reaktörler oluşturma seçeneği değerlendiriliyor.

Oluşması için gerekli koşulları sağlamak için. Bir tokamaktaki plazma, termonükleer reaksiyonlar için gerekli sıcaklığa dayanamayan odanın duvarları tarafından değil, özel olarak oluşturulmuş birleştirilmiş manyetik alan - plazmadan akan akımın toroidal bir dış ve poloidal alanı tarafından tutulur. kordon. Plazmayı sınırlamak için manyetik alan kullanan diğer kurulumlarla karşılaştırıldığında, elektrik akımının kullanılması tokamak'ın ana özelliğidir. Plazmadaki akım, plazmanın ısınmasını ve vakum odasındaki plazma filamanının dengesinin korunmasını sağlar. Bu şekilde tokamak, özellikle harici manyetik bobinler kullanılarak hem toroidal hem de poloidal alanların oluşturulduğu alternatif sınırlandırma şemalarından biri olan yıldızlaştırıcıdan farklılık gösterir.

Tokamak reaktörü şu anda uluslararası bilimsel proje ITER kapsamında geliştirilmektedir.

Hikaye

Şu anda tokamak, kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması için en umut verici cihaz olarak kabul ediliyor.

Cihaz

Tokamak, toroidal bir manyetik alan oluşturmak için üzerine bobinlerin sarıldığı toroidal bir vakum odasıdır. Hava önce vakum odasından dışarı pompalanır ve ardından döteryum ve trityum karışımı ile doldurulur. Daha sonra kullanarak bobin haznede bir girdap elektrik alanı yaratılır. İndüktör, tokamak odasının ikincil sargı olduğu büyük bir transformatörün birincil sargısıdır. Elektrik alanı, plazma odasında akımın akmasına ve tutuşmasına neden olur.

Plazmadan geçen akım iki görevi yerine getirir:

plazmayı diğer iletkenlerle aynı şekilde ısıtır (ohmik ısıtma);
kendi etrafında manyetik bir alan yaratır. Bu manyetik alana denir poloidal(yani, içinden geçen çizgiler boyunca yönlendirilmiş direkler küresel koordinat sistemi).

Böyle bir sistemde stabil plazma hapsi için poloidal bir alanın varlığı gereklidir. İndüktördeki akımın arttırılmasıyla oluşturulduğundan ve sonsuz olamayacağından, klasik bir tokamakta plazmanın kararlı varoluş süresi hala birkaç saniye ile sınırlıdır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için akımı korumaya yönelik ek yöntemler geliştirilmiştir. Bu amaçla, döteryum veya trityumun hızlandırılmış nötr atomlarının plazmaya enjeksiyonu veya mikrodalga radyasyonu kullanılabilir.

Plazma kablosunu kontrol etmek için toroidal bobinlere ek olarak ilave bobinlere ihtiyaç vardır. poloidal alan bobinleri. Tokamak odasının dikey ekseni etrafındaki halka dönüşleridir.

Tokamaklar ve özellikleri

Dünyada toplamda yaklaşık 300 tokamak inşa edildi. Bunlardan en büyükleri aşağıda listelenmiştir.

SSCB ve Rusya

Kazakistan

Kazakistan Malzeme Araştırma Tokamak (KTM), enerji yükü rejimlerindeki malzemelerin araştırılması ve test edilmesi için deneysel bir termonükleer tesistir.