Токамак

Реакционная камера DIII-D , экспериментального термоядерного реактора-токамака, эксплуатируемого General Atomics в Сан-Диего, который использовался в исследованиях с момента его завершения в конце 1980-х годов. Характерная камера в форме тора покрыта графитом, что помогает выдерживать экстремальные температуры.

Токамак ( / т oʊ к ə м æ к / ; русский : Токамка ) представляет собой устройство , которое использует мощное магнитное поле для удержания плазмы в форме тора . Токамак - один из нескольких типов устройств магнитного удержания , разрабатываемых для производства управляемой термоядерной энергии синтеза . По состоянию на 2020 год ^[update]это ведущий кандидат на создание практического термоядерного реактора . ^[1]

Первоначально концепция токамаков была разработана в 1950-х годах советскими физиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым , вдохновленными письмом Олега Лаврентьева . Первый рабочий токамак был приписан работе Натана Явлинского над Т-1 в 1958 году. ^[2] Было продемонстрировано, что для стабильного плазменного равновесия необходимы силовые линии магнитного поля, которые наматываются вокруг тора по спирали . Такие устройства, как z-pinch и stellarator, пытались это сделать, но продемонстрировали серьезную нестабильность. Это была разработка концепции, теперь известной как коэффициент безопасности (обозначенный qв математической нотации), который руководил развитием токамака; Благодаря расположению реактора таким образом, чтобы этот критический коэффициент q всегда был больше 1, токамаки сильно подавляли нестабильность, которая преследовала более ранние конструкции.

К середине 1960-х годов конструкции токамаков стали демонстрировать значительно улучшенные характеристики. Первые результаты были опубликованы в 1965 году, но их проигнорировали; Лайман Спитцер сразу уволил их, отметив потенциальные проблемы в их системе измерения температуры. Второй набор результатов был опубликован в 1968 году, на этот раз заявив, что производительность намного опережает любую другую машину. Когда они были встречены скептически, Советский Союз пригласил делегацию Соединенного Королевства для проведения собственных измерений. Они подтвердили советские результаты, и их публикация в 1969 году привела к ажиотажному строительству токамаков.

К середине 1970-х годов по всему миру использовались десятки токамаков. К концу 1970-х эти машины достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного синтеза, хотя и не одновременно и не в одном реакторе. Теперь, когда ставится цель достичь безубыточности ( коэффициент увеличения энергии термоядерного синтеза, равный 1), была разработана новая серия машин, которые будут работать на термоядерном топливе из дейтерия и трития . Эти машины, в частности Joint European Torus (JET) и Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), преследовали четкую цель достижения безубыточности.

Вместо этого эти машины продемонстрировали новые проблемы, ограничивающие их производительность. Для их решения потребуется гораздо более крупная и дорогая машина, недоступная ни в одной стране. После первоначального соглашения между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым в ноябре 1985 года возникла идея создания Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), который остается основным международным усилием по развитию практической термоядерной энергии. Многие более мелкие конструкции и ответвления, такие как сферический токамак , продолжают использоваться для исследования параметров производительности и других проблем. По состоянию на 2020 год ^[update]JET остается рекордсменом по мощности термоядерного синтеза, достигая 16 МВт на 24 МВт входной тепловой мощности.

Этимология [ править ]

Слово токамака является транслитерацией из русского слова токамака , аббревиатура как:

то роидальная ка мера с ма гнитными к атушками

чтобы roidal'naya ка рой ы ма gnitnymi к atushkami

чтобы roidal ча mber с ма gnetic гр масла;

или же

то роидальная кам ера с ак сиальным магнитным полем

к roidal'naya кам эры s ак sial'nym magnitnym polem

чтобы roidal ч бер с топором МВЛ магнитное поле. ^[3]

Термин был введен в 1957 году Игорем Головиным , ^{[4] [a]} заместителем директора Лаборатории измерительных приборов Академии наук, ныне Курчатовский институт . Подобный термин, токомаг , также предлагался какое-то время. ^[6]

История [ править ]

Первые шаги [ править ]

В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми осуществили термоядерный синтез на Земле, используя ускоритель частиц, чтобы выстрелить ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий или другие атомы. ^[7] Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза и определило, что реакция дейтерий-дейтерий происходит при более низкой энергии, чем другие реакции, достигая максимума около 100 000  электронвольт (100 кэВ). ^{[8] [b]}

Термоядерный синтез на основе ускорителей непрактичен, потому что сечение реакции невелико; большинство частиц в ускорителе разлетаются от топлива, а не сливаются с ним. Это рассеяние заставляет частицы терять энергию до такой степени, что они больше не могут подвергаться слиянию. Таким образом, энергия, вложенная в эти частицы, теряется, и легко продемонстрировать, что это намного больше энергии, чем могут высвободиться в результате реакции синтеза. ^[10]

Чтобы поддерживать термоядерный синтез и производить полезную выходную энергию, большая часть топлива должна быть нагрета до высоких температур, чтобы его атомы постоянно сталкивались на высокой скорости; это привело к названию термоядерного из-за высоких температур, необходимых для его возникновения . В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что реакция будет самоподдерживающейся при температуре около 50 000 000 К; при этой температуре скорость, с которой энергия выделяется реакциями, достаточно высока, чтобы они нагревали окружающее топливо достаточно быстро, чтобы поддерживать температуру с учетом потерь в окружающую среду, продолжая реакцию. ^[10]

Во время Манхэттенского проекта был создан первый практический способ достичь таких температур с помощью атомной бомбы . В 1944 году Ферми выступил с докладом о физике термоядерного синтеза в контексте гипотетической водородной бомбы . Тем не менее, некоторые мысли уже были высказаны относительно устройства управляемого термоядерного синтеза, и Джеймс Л. Так и Станислав Улам попытались сделать это, используя кумулятивные заряды, управляющие металлической фольгой, наполненной дейтерием, хотя безуспешно. ^[11]

Первые попытки создать практическую термоядерную машину были предприняты в Соединенном Королевстве , где Джордж Пэджет Томсон выбрал пинч-эффект в качестве многообещающей техники в 1945 году. После нескольких неудачных попыток получить финансирование он сдался и попросил двух аспирантов, Стэна Казинс и Алан Уэр, чтобы построить устройство из лишнего радиолокационного оборудования. Он успешно работал в 1948 году, но не показал явных свидетельств термоядерного синтеза и не заинтересовал Исследовательский центр по атомной энергии . ^[12]

Письмо Лаврентьева [ править ]

В 1950 году Олег Лаврентьев , в то время сержант Красной Армии, находившийся на Сахалине почти без дела, написал письмо в Центральный Комитет Коммунистической партии Советского Союза . В письме изложена идея использования атомной бомбы для зажигания термоядерного топлива, а затем описана система, которая использует электростатические поля для удержания горячей плазмы в устойчивом состоянии для производства энергии. ^{[13] [14] [c]}

Письмо было отправлено Андрею Сахарову для комментариев. Сахаров отметил, что «автор формулирует очень важную и не обязательно безнадежную проблему», и обнаружил, что его главная проблема в устройстве заключалась в том, что плазма будет попадать на электродные провода, и что «широкие ячейки и тонкая токопроводящая часть, которая будет иметь отражать почти все налетающие ядра обратно в реактор. По всей вероятности, это требование несовместимо с механической прочностью устройства ». ^[13]

Некоторое указание на важность, придаваемую письму Лаврентьева, можно увидеть в скорости, с которой оно было обработано; письмо было получено ЦК 29 июля, Сахаров прислал свой отзыв 18 августа, к октябрю Сахаров и Игорь Тамм завершили первое детальное исследование термоядерного реактора и запросили финансирование на его строительство в январе. 1951. ^[15]

Магнитное удержание [ править ]

При нагревании до температур термоядерного синтеза электроны в атомах разъединяются, в результате чего образуется жидкость из ядер и электронов, известная как плазма . В отличие от электрически нейтральных атомов, плазма электропроводна, и поэтому ею можно управлять с помощью электрических или магнитных полей. ^[16]

Беспокойство Сахарова по поводу электродов побудило его рассмотреть возможность использования магнитного удержания вместо электростатического. В случае магнитного поля частицы будут вращаться вокруг силовых линий . ^[16] Поскольку частицы движутся с высокой скоростью, их траектория выглядит как спираль. Если создать магнитное поле так, чтобы силовые линии были параллельны и близки друг к другу, частицы, вращающиеся вокруг соседних линий, могут столкнуться и слиться. ^[17]

Такое поле может быть создано в соленоиде , цилиндре с магнитами, намотанными снаружи. Комбинированные поля магнитов создают набор параллельных магнитных линий, проходящих по длине цилиндра. Такое расположение предотвращает перемещение частиц сбоку к стенке цилиндра, но не препятствует их выходу за край. Очевидное решение этой проблемы - согнуть цилиндр в форме бублика или тора, чтобы линии образовали серию непрерывных колец. В таком расположении частицы бесконечно вращаются. ^[17]

Сахаров обсудил эту концепцию с Игорем Таммом , и к концу октября 1950 года они написали предложение и отправили его Игорю Курчатову , директору проекта атомной бомбы в СССР, и его заместителю Игорю Головину . ^[17] Однако это первоначальное предложение игнорировало фундаментальную проблему; когда они расположены вдоль прямого соленоида, внешние магниты расположены равномерно, но когда они согнуты в тор, они ближе друг к другу внутри кольца, чем снаружи. Это приводит к неравномерным силам, которые заставляют частицы уноситься от своих магнитных линий. ^{[4] [18]}

Во время посещения Лаборатории измерительных приборов АН СССР.(LIPAN), советский центр ядерных исследований, Сахаров предложил два возможных решения этой проблемы. Один заключался в том, чтобы подвесить токопроводящее кольцо в центре тора. Ток в кольце будет создавать магнитное поле, которое смешивается с магнитным полем снаружи. Результирующее поле будет закручено в спираль, так что любая заданная частица будет неоднократно обнаруживаться снаружи, а затем внутри тора. Дрейфы, вызванные неравномерными полями, имеют противоположные направления внутри и снаружи, поэтому в ходе нескольких орбит вокруг длинной оси тора противоположные дрейфы компенсируются. В качестве альтернативы он предложил использовать внешний магнит для индукции тока в самой плазме вместо отдельного металлического кольца, что имело бы тот же эффект. ^[4]

В январе 1951 года Курчатов устроил встречу в LIPAN, чтобы обсудить концепции Сахарова. Они нашли широкий интерес и поддержку, и в феврале доклад по этой теме был направлен Лаврентию Берии , который курировал атомные проекты в СССР. Некоторое время назад ничего не было слышно. ^[4]

Рихтер и рождение исследований слияния [ править ]

25 марта 1951 года президент Аргентины Хуан Перон объявил, что бывшему немецкому ученому Рональду Рихтеру удалось создать термоядерный синтез в лабораторных условиях в рамках того, что сейчас известно как проект Huemul . Ученые всего мира были взволнованы этим заявлением, но вскоре пришли к выводу, что это неправда; простые расчеты показали, что его экспериментальная установка не может производить достаточно энергии для нагрева термоядерного топлива до необходимых температур. ^[19]

Несмотря на то, что ядерные исследователи отвергли это, широкое освещение в новостях означало, что политики внезапно осознали и восприимчивы к исследованиям термоядерного синтеза. В Великобритании Thomson неожиданно получил значительное финансирование. В течение следующих месяцев были запущены и запущены два проекта, основанных на системе зажима. ^[20] В США Лайман Спитцер прочитал историю Хьюмула, понял, что она ложная, и приступил к разработке машины, которая будет работать. ^[21] В мае он получил 50 000 долларов на начало исследования своей концепции стелларатора . ^[22] Джим Так ненадолго вернулся в Великобританию и увидел щипковые машины Томсона. Когда он вернулся в Лос-Аламос, он также получил 50 000 долларов непосредственно из бюджета Лос-Аламоса. ^[23]

Подобные события произошли и в СССР. В середине апреля Дмитрий Ефремов из Научно-исследовательского института электрофизических аппаратов ворвался в кабинет Курчатова с журналом, в котором был рассказ о работе Рихтера, и потребовал объяснить, почему их избили аргентинцы. Курчатов немедленно связался с Берией с предложением создать отдельную лабораторию термоядерных исследований под руководством Льва Арцимовича . Спустя всего несколько дней, 5 мая, предложение было подписано Иосифом Сталиным . ^[4]

Новые идеи [ править ]

К октябрю Сахаров и Тамм завершили гораздо более детальное рассмотрение своего первоначального предложения, призывая к созданию устройства с большим радиусом (тора в целом) 12 метров (39 футов) и малым радиусом (внутренняя часть тора). цилиндр) 2 метра (6 футов 7 дюймов). Предложение предполагало, что система может производить 100 граммов (3,5 унции) трития в день или вырабатывать 10 килограммов (22 фунта) U233 в день. ^[4]

По мере дальнейшего развития идеи стало понятно, что ток в плазме может создать поле, достаточно сильное, чтобы удерживать плазму, устраняя необходимость во внешних магнитах. ^{[5] К} этому моменту советские исследователи заново изобрели пинч-систему, разрабатываемую в Великобритании ^[11], хотя они пришли к этой конструкции с совершенно другой отправной точки.

Как только была предложена идея использования пинч-эффекта для удержания, стало очевидным гораздо более простое решение. Вместо большого тороида можно было просто навести ток в линейную трубку, что могло бы вызвать коллапс плазмы внутри в нить накала. Это имело огромное преимущество; ток в плазме нагревает ее за счет обычного резистивного нагрева , но это не нагревает плазму до температур термоядерного синтеза. Однако, когда плазма схлопнулась, адиабатический процесс привел бы к резкому повышению температуры, более чем достаточному для термоядерного синтеза. При такой разработке только Головин и Натан Явлинский продолжили рассмотрение более статичного тороидального устройства. ^[5]

Нестабильность [ править ]

4 июля 1952 года группа Николая Филиппова измерила нейтроны , испускаемые линейной пинч-машиной. Лев Арцимович потребовал, чтобы они все проверили, прежде чем заключить, что термоядерный синтез произошел, и в ходе этих проверок выяснилось, что нейтроны вовсе не образовались в результате термоядерного синтеза. ^[5] Такое же линейное расположение наблюдалось и у исследователей из Великобритании и США, и их машины показали такое же поведение. Но большая секретность, окружавшая этот тип исследования, означала, что ни одна из групп не знала, что другие также работали над этим, не говоря уже о том, чтобы иметь такую ​​же проблему. ^[24]

После долгих исследований было обнаружено, что часть выпущенных нейтронов была произведена нестабильностью в плазме. Было два распространенных типа нестабильности: колбаса, которая наблюдалась в основном в линейных машинах, и изгиб, который был наиболее распространен в тороидальных машинах. ^[24] Группы во всех трех странах начали изучать формирование этих нестабильностей и возможные способы их решения. ^[25] Важный вклад в эту область внесли Мартин Дэвид Крускал и Мартин Шварцшильд в США и Шафранов в СССР. ^[26]

Одна идея, возникшая в результате этих исследований, стала известна как «стабилизированный пинч». Эта концепция добавляла дополнительные магниты снаружи камеры, которые создавали поле, которое должно было присутствовать в плазме до пинчевого разряда. В большинстве концепций внешнее поле было относительно слабым, и, поскольку плазма диамагнитна , она проникала только во внешние области плазмы. ^[24] Когда произошел пинчевый разряд и плазма быстро сжалась, это поле стало «вмороженным» в образовавшейся нити, создавая сильное поле в ее внешних слоях. В США это было известно как «создание основы для плазмы». ^[27]

Сахаров пересмотрел свою первоначальную концепцию тороидального излучения и пришел к несколько иному выводу о том, как стабилизировать плазму. Схема будет такой же, как и в концепции стабилизированного пинча, но роль двух полей будет обратной. Вместо слабых внешних полей, обеспечивающих стабилизацию, и сильного пинчевого тока, отвечающего за удержание, в новой схеме внешние магниты будут намного мощнее, чтобы обеспечить большую часть удержания, в то время как ток будет намного меньше и отвечает за стабилизацию. эффект. ^[5]

Шаги к рассекречиванию [ править ]

В 1955 году, когда линейные подходы все еще нестабильны, в СССР был построен первый тороидальный прибор. TMP была классической машиной для пережима, подобной моделям в Великобритании и США той же эпохи. Вакуумная камера была сделана из керамики, и спектры разрядов показали кремнезем, что означает, что плазма не была идеально удержана магнитным полем и не ударялась о стенки камеры. ^[5] Затем последовали две машины меньшего размера с медными оболочками. ^[6] Проводящие оболочки были предназначены для стабилизации плазмы, но не были полностью успешными ни в одной из машин, которые пробовали это. ^[28]

Поскольку прогресс явно застопорился, в 1955 году Курчатов созвал Всесоюзную конференцию советских исследователей с конечной целью открыть исследования в области термоядерного синтеза в СССР. ^[29] В апреле 1956 года Курчатов посетил Великобританию в рамках широко разрекламированного визита Никиты Хрущева и Николая Булганина . Он предложил выступить с докладом в Исследовательском центре атомной энергии в бывшем RAF Harwell , где он шокировал хозяев, представив подробный исторический обзор советских усилий по термоядерному синтезу. ^[30] Он нашел время, чтобы отметить, в частности, нейтроны, обнаруженные в ранних машинах, и предупредил, что нейтроны не означают термоядерный синтез. ^[31]

Курчатов не знал, что британский стабилизированный зажимной механизм ZETA строился в дальнем конце бывшей взлетно-посадочной полосы. ZETA была, безусловно, самой большой и мощной термоядерной машиной на сегодняшний день. Опираясь на эксперименты с более ранними конструкциями, которые были модифицированы для включения стабилизации, ZETA намеревался производить низкие уровни реакций синтеза. Очевидно, это был большой успех, и в январе 1958 года они объявили, что синтез был осуществлен в ZETA на основе испускания нейтронов и измерений температуры плазмы. ^[32]

Виталий Шафранов и Станислав Брагинский изучили новости и попытались выяснить, как это работает. Одной из возможностей, которую они рассматривали, было использование слабых «замороженных» полей, но отвергли это, полагая, что полей не хватит на долгое время. Затем они пришли к выводу, что ZETA по существу идентична устройствам, которые они изучали, с сильными внешними полями. ^[30]

Первые токамаки [ править ]

К этому времени советские исследователи решили построить более крупную тороидальную машину по принципам, предложенным Сахаровым. В частности, в их дизайне учитывался один важный момент, найденный в работах Крускала и Шафранова; если бы спиральный путь частиц заставлял их циркулировать по окружности плазмы быстрее, чем они вращали бы длинную ось тора, изгибная неустойчивость была бы сильно подавлена. ^[25]

Сегодня эта основная концепция известна как фактор безопасности . Отношение количества раз, когда частица вращается вокруг большой оси по сравнению с малой осью, обозначается q , а предел Крускала-Шафранова утверждает, что перегиб будет подавляться, пока q > 1. Этот путь контролируется относительной силой. внешних магнитов по сравнению с полем, созданным внутренним током. Чтобы иметь q > 1, внешние магниты должны быть намного мощнее, или, в качестве альтернативы, внутренний ток должен быть уменьшен. ^[25]

Следуя этому критерию, началось проектирование нового реактора Т-1, который сегодня известен как первый настоящий токамак. ^[6] T-1 использовал как более сильные внешние магниты, так и меньший ток по сравнению со стабилизированными пинч-машинами, такими как ZETA. Успех Т-1 привел к тому, что он был признан первым рабочим токамаком. ^{[2] [33] [34] [35]} За свою работу по «мощным импульсным разрядам в газе для получения необычно высоких температур, необходимых для термоядерных процессов», Явлинский был удостоен Ленинской и Сталинской премий.в 1958 году. Явлинский уже готовил проект еще более крупной модели, позже построенной как Т-3. После явно успешного анонса ZETA концепция Явлинского была воспринята очень положительно. ^{[30] [36]}

Подробности ZETA стали известны в серии статей в Nature в конце января. К удивлению Шафранова, система действительно использовала концепцию «замороженного» поля. ^[30] Он оставался скептически настроенным, но команда из Института Иоффе в Санкт-Петербурге начала планы по созданию аналогичной машины, известной как «Альфа». Всего несколько месяцев спустя, в мае, команда ZETA выпустила сообщение, в котором говорилось, что они не достигли термоядерного синтеза и были введены в заблуждение из-за ошибочных измерений температуры плазмы. ^[37]

Т-1 начал работу в конце 1958 года. ^{[38] [d]} Он продемонстрировал очень высокие потери энергии из-за излучения. Это было связано с примесями в плазме из-за вакуумной системы, вызывающей выделение газа из материалов контейнера. Для поиска решения этой проблемы было построено еще одно небольшое устройство - Т-2. При этом использовалась внутренняя облицовка из гофрированного металла, прокалившаяся при 550 ° C (1022 ° F) для удаления захваченных газов. ^[38]

Атомы для мира и депрессии [ править ]

В рамках второй встречи « Атом для мира» в Женеве в сентябре 1958 года советская делегация опубликовала множество документов, посвященных их исследованиям в области термоядерного синтеза. Среди них был набор начальных результатов на их тороидальных машинах, которые на тот момент не показали ничего примечательного. ^[39]

«Звездой» шоу стала большая модель стелларатора Спитцера, которая сразу привлекла внимание Советов. В отличие от их конструкций, стелларатор создавал необходимые искривленные пути в плазме, не пропуская через нее ток, используя серию магнитов, которые могли работать в установившемся режиме, а не импульсы индукционной системы. Курчатов начал просить Явлинского сменить конструкцию Т-3 на стелларатор, но они убедили его, что ток дает полезную вторую роль в нагреве, чего стелларатору не хватало. ^[39]

Во время шоу стелларатор страдал от длинной череды мелких проблем, которые только что решались. Их решение показало, что скорость диффузии плазмы была намного выше, чем предсказывала теория. По той или иной причине аналогичные проблемы были замечены во всех современных конструкциях. Стелларатор, различные концепции пинча и магнитные зеркала как в США, так и в СССР продемонстрировали проблемы, ограничивающие время их удержания. ^[38]

Начиная с первых исследований управляемого термоядерного синтеза, проблема скрывалась в основе. Во время Манхэттенского проекта Дэвид Бом был частью команды, работавшей над изотопным разделением урана . В послевоенное время он продолжал работать с плазмой в магнитных полях. Используя основную теорию, можно было бы ожидать, что плазма будет диффундировать через силовые линии со скоростью, обратно пропорциональной квадрату напряженности поля, а это означает, что небольшое увеличение силы значительно улучшит удержание. Но на основе их экспериментов Бом разработал эмпирическую формулу, теперь известную как диффузия Бома , которая предполагает, что скорость линейна с магнитной силой, а не с ее квадратом. ^[40]

Если формула Бома верна, не было никакой надежды построить термоядерный реактор, основанный на магнитном удержании. Чтобы удержать плазму при температурах, необходимых для термоядерного синтеза, магнитное поле должно быть на порядки больше, чем у любого известного магнита. Спитцер приписывал разницу между темпами диффузии Бома и классической диффузией турбулентностью в плазме ^[41] и полагал, что стационарные поля стелларатора не страдают от этой проблемы. Различные эксперименты того времени показали, что ставка Бома неприменима и что классическая формула верна. ^[40]

Но к началу 1960-х, когда все различные конструкции протекали с огромной скоростью, Спитцер сам пришел к выводу, что шкала Бома является неотъемлемым свойством плазмы и что магнитное удержание не работает. ^[38] Вся эта область погрузилась в то, что стало известно как «упадок сил» ^[42], период сильного пессимизма. ^[5]

Прогресс токамака в 1960-е годы [ править ]

В отличие от других конструкций, экспериментальные токамаки, по-видимому, развивались настолько хорошо, что небольшая теоретическая проблема стала серьезной проблемой. В присутствии силы тяжести в плазме есть небольшой градиент давления, который раньше был достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать, но теперь он становится чем-то, с чем нужно работать. Это привело к добавлению еще одного набора магнитов в 1962 году, который создавал вертикальное поле, компенсировавшее эти эффекты. Они имели успех, и к середине 1960-х годов машины начали показывать признаки того, что они преодолевают предел Бома . ^[43]

На Второй конференции Международного агентства по атомной энергии по термоядерному синтезу в 1965 году в недавно открытом британском Центре термоядерной энергии в Калхэме Арцимович сообщил, что их системы превзошли предел Бома в 10 раз. Спитцер, просматривая презентации, предположил, что предел Бома все еще может применяться; результаты находились в пределах экспериментальной погрешности результатов, наблюдаемых на стеллараторах, а измерения температуры, основанные на магнитных полях, просто не заслуживали доверия. ^[43]

Следующее крупное международное термоядерное совещание состоялось в августе 1968 года в Новосибирске . К этому времени были завершены два дополнительных проекта токамака: ТМ-2 в 1965 году и Т-4 в 1968 году. Результаты Т-3 продолжали улучшаться, и аналогичные результаты были получены при первых испытаниях новых реакторов. На встрече советская делегация объявила, что Т-3 производит температуру электронов в 1000 эВ (что эквивалентно 10 миллионам градусов Цельсия) и что время удержания как минимум в 50 раз превышает предел Бома. ^[44]

Эти результаты были как минимум в 10 раз выше, чем у любой другой машины. Если они верны, они представляют собой огромный скачок в сообществе фьюжн-сообщества. Спитцер остался скептически настроен, отметив, что измерения температуры по-прежнему основывались на косвенных расчетах магнитных свойств плазмы. Многие пришли к выводу, что это произошло из-за эффекта, известного как убегающие электроны , и что Советы измеряли только эти чрезвычайно энергичные электроны, а не температуру в объеме. Советы возразили несколькими аргументами, предполагающими, что температура, которую они измеряют, была максвелловской , и споры разгорелись. ^[45]

Калхэм Пять [ править ]

После ZETA британские команды начали разработку новых инструментов для диагностики плазмы, чтобы обеспечить более точные измерения. Среди них было использование лазера для прямого измерения температуры объемных электронов с помощью томсоновского рассеяния . Этот метод был хорошо известен и уважался в сообществе фьюжн; ^[46] Арцимович публично назвал его «блестящим». Арцимович пригласил Баса Пиза , главу Калхэма, использовать их устройства на советских реакторах. В разгар « холодной войны» , что до сих пор считается крупным политическим маневром со стороны Арцимовича, британским физикам разрешили посетить Курчатовский институт, сердце советской ядерной бомбы. ^[47]

Британская группа по прозвищу «Калхэмская пятерка» ^[48] прибыла в конце 1968 года. После длительной установки и калибровки команда измерила температуру в течение многих экспериментальных прогонов. Первые результаты были доступны к августу 1969 г .; Советы были правы, их результаты были точными. Команда позвонила домой с результатами Калхэму, который затем передал их в конфиденциальном телефонном разговоре в Вашингтон. ^[49] Окончательные результаты были опубликованы в журнале Nature в ноябре 1969 года. ^[50] Результаты этого объявления были описаны как «настоящая паника» строительства токамаков по всему миру. ^[51]

Осталась одна серьезная проблема. Поскольку электрический ток в плазме был намного ниже и производил гораздо меньшее сжатие, чем пинч-машина, это означало, что температура плазмы ограничивалась скоростью резистивного нагрева тока. Впервые предложенный в 1950 году, удельное сопротивление Спитцера утверждало, что электрическое сопротивление плазмы снижается при повышении температуры ^{[52], что} означает, что скорость нагрева плазмы будет снижаться по мере улучшения устройств и повышения температуры. Расчеты показали, что результирующие максимальные температуры при нахождении в пределах q> 1 ограничился бы низкими миллионами градусов. Арцимович поспешил указать на это в Новосибирске, заявив, что будущий прогресс потребует разработки новых методов отопления. ^[53]

Беспорядки в США [ править ]

Одним из участников встречи в Новосибирске в 1968 году был Амаса Стоун Бишоп , один из руководителей американской программы термоядерного синтеза. Одним из немногих других устройств, демонстрирующих явное свидетельство превышения предела Бома в то время, была концепция мультиполя . И Лоуренс Ливермор, и Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), где находится стелларатор Спитцера, создавали вариации на основе многополюсной конструкции. Хотя сам по себе Т-3 был умеренно успешным, он значительно превосходил любую машину. Бишоп был обеспокоен тем, что мультиполи были избыточными, и считал, что США должны рассмотреть возможность создания собственного токамака. ^[54]

Когда он поднял этот вопрос на собрании в декабре 1968 года, директора лабораторий отказались его рассматривать. Мелвин Б. Готтлиб из Принстона был рассержен, спрашивая: «Как вы думаете, этот комитет может перехитрить ученых?» ^[55] Поскольку основные лаборатории требовали, чтобы они контролировали свои собственные исследования, одна лаборатория оказалась в стороне. Ок-Ридж первоначально вошел в область термоядерного синтеза с исследованиями топливных систем реакторов, но затем расширил свою собственную зеркальную программу. К середине 1960-х их проекты DCX исчерпали свои идеи, и они не предлагали ничего, чего не предлагала аналогичная программа в более престижном и политически влиятельном Ливерморе. Это сделало их очень восприимчивыми к новым концепциям. ^[56]

После значительных внутренних дебатов Герман Постма в начале 1969 года сформировал небольшую группу для рассмотрения токамака. ^[56] Они придумали новый дизайн, позже названный Ормак , который имел несколько новых особенностей. Основным из них было то, как внешнее поле создавалось в едином большом медном блоке, питавшемся от большого трансформатора ниже тора. Это отличалось от традиционных конструкций, в которых снаружи использовались обмотки магнита. Они чувствовали, что единый блок создаст гораздо более однородное поле. Это также будет иметь то преимущество, что тор будет иметь меньший большой радиус, без необходимости прокладывать кабели через отверстие для бублика, что приведет к более низкому соотношению сторон., что, как уже предполагали Советы, даст лучшие результаты. ^[57]

Гонка токамаков в США [ править ]

В начале 1969 года Арцимович посетил Массачусетский технологический институт , где его преследовали те, кто интересовался термоядерным синтезом. В конце концов он согласился прочитать несколько лекций в апреле ^[53], а затем разрешил длительные сессии вопросов и ответов. По мере того, как это продолжалось, сам Массачусетский технологический институт заинтересовался токамаком, ранее оставаясь вне области термоядерного синтеза по ряду причин. Бруно Коппи в то время работал в Массачусетском технологическом институте и, следуя тем же концепциям, что и команда Постмы, придумал свою собственную концепцию с низким соотношением сторон, Alcator . Вместо тороидального трансформатора Ormak компания Alcator использовала традиционные кольцевые магниты, но требовала, чтобы они были намного меньше существующих конструкций. Магнитная лаборатория Фрэнсиса Биттера Массачусетского технологического институтабыла мировым лидером в разработке магнитов, и они были уверены, что смогут их построить. ^[53]

В течение 1969 года на месторождение вышли еще две группы. В General Atomics , Tihiro Ohkawa были разработки мультипольными реакторов и представил концепцию на основе этих идей. Это был токамак с некруглым поперечным сечением плазмы; та же самая математика, которая предполагала, что более низкое соотношение сторон улучшит производительность, также предполагала, что C- или D-образная плазма будет делать то же самое. Он назвал новый дизайн Doublet . ^[58] Тем временем группа из Техасского университета в Остине предлагала относительно простой токамак для изучения нагрева плазмы за счет преднамеренно индуцированной турбулентности, Техасский турбулентный токамак . ^[59]

Когда члены Руководящего комитета Комиссии по атомной энергии по термоядерному синтезу снова встретились в июне 1969 года, у них «из ушей вылетали предложения токамаков». ^[59] Единственной крупной лабораторией, работающей над тороидальной конструкцией, которая не предлагала токамак, был Принстон, который отказался рассматривать его, несмотря на то, что их стелларатор модели C был почти идеальным для такого преобразования. Они продолжали предлагать длинный список причин, по которым Model C не следует переделывать. Когда они были поставлены под сомнение, разгорелась яростная дискуссия о надежности советских результатов. ^[59]

Наблюдая за происходящими дебатами, Готлиб передумал. Не было смысла продвигаться вперед с токамаком, если советские измерения температуры электронов не были точными, поэтому он сформулировал план, чтобы либо доказать, либо опровергнуть их результаты. Купаясь в бассейне во время обеденного перерыва, он рассказал Гарольду Ферту свой план, на что Фурт ответил: «Ну, может быть, ты прав». ^[49] После обеда различные команды представили свои проекты, после чего Готлиб представил свою идею «стелларатор-токамак» на основе модели C. ^[49]

Постоянный комитет отметил, что эта система может быть завершена за шесть месяцев, а Ормак - за год. ^[49] Лишь вскоре были опубликованы конфиденциальные результаты исследования Калхэмской пятерки. Когда они снова встретились в октябре, Постоянный комитет выделил финансирование для всех этих предложений. Новая конфигурация Model C, вскоре получившая название Symmetrical Tokamak , была предназначена просто для проверки советских результатов, в то время как другие будут исследовать способы выйти далеко за рамки T-3. ^[60]

Отопление: США лидируют [ править ]

Эксперименты на симметричном токамаке начались в мае 1970 года, и к началу следующего года они подтвердили советские результаты. От стелларатора отказались, и PPPL обратила свой значительный опыт на решение проблемы нагрева плазмы. Две концепции казались многообещающими. PPPL предложил использовать магнитное сжатие, пинч-подобную технику для сжатия теплой плазмы для повышения ее температуры, но при этом сжатие осуществляется через магниты, а не ток. ^[61] Ок-Ридж предложил инжекцию нейтрального луча , небольшие ускорители частиц, которые будут стрелять атомами топлива через окружающее магнитное поле, где они будут сталкиваться с плазмой и нагревать ее. ^[62]

Адиабатический тороидальный компрессор (ATC) компании PPPL начал работу в мае 1972 года, вскоре после этого появился Ormak, оборудованный нейтральным лучом. Оба продемонстрировали значительные проблемы, но PPPL обошла Ок-Ридж, установив форсунки на АТЦ, и предоставила явное свидетельство успешного нагрева в 1973 году. Этот успех «подхлестнул» Ок-Ридж, который попал в немилость в Руководящем комитете Вашингтона. ^[63]

К этому времени находился в стадии разработки гораздо более крупный проект, основанный на лучевом нагреве, Princeton Large Torus , или PLT. PLT был разработан специально, чтобы «дать четкое указание на то, может ли концепция токамака плюс дополнительный нагрев стать основой для будущего термоядерного реактора». ^[64] PLT имел огромный успех, постоянно повышая его внутреннюю температуру, пока она не достигла 60 миллионов по Цельсию (8000 эВ, в восемь раз больше рекордного уровня T-3) в 1978 году. Это ключевой момент в разработке токамака; Реакции синтеза становятся самоподдерживающимися при температурах от 50 до 100 миллионов по Цельсию, PLT продемонстрировала, что это технически достижимо. ^[64]

Эти эксперименты, особенно PLT, вывели США далеко вперед в исследованиях токамаков. Это во многом связано с бюджетом; токамак стоил около 500 000 долларов, а годовой бюджет США на термоядерный синтез в то время составлял около 25 миллионов долларов. ^[44] Они могли позволить себе исследовать все многообещающие методы нагрева, в конечном итоге обнаружив, что нейтральные лучи являются одними из самых эффективных. ^[65]

В этот период Роберт Хирш возглавил Управление по развитию термоядерного синтеза в Комиссии по атомной энергии США . Хирш считал, что программа не может поддерживаться на текущем уровне финансирования без демонстрации ощутимых результатов. Он начал переформулировать всю программу. То, что когда-то было усилием лаборатории, в основном научным исследованием, теперь стало инициативой Вашингтона по созданию работающего реактора, вырабатывающего энергию. ^[65] Этому способствовал нефтяной кризис 1973 года , который привел к значительному увеличению исследований альтернативных энергетических систем. ^[66]

1980-е: большие надежды, большое разочарование [ править ]

К концу 1970-х токамаки достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного реактора; в 1978 году PLT продемонстрировал температуру воспламенения, в следующем году советский Т-7 впервые успешно использовал сверхпроводящие магниты ^[67]. Дублет оказался успешным и привел почти ко всем будущим проектам, использующим этот подход «формованной плазмы». Оказалось, что все, что требовалось для создания энергетического реактора, - это объединить все эти конструктивные решения в единую машину, способную работать с радиоактивным тритием в своей топливной смеси. ^[68]

Гонка началась. В течение 1970-х годов во всем мире были профинансированы четыре основных предложения второго поколения. Советы продолжили разработку Т-15 ^{[67], в} то время как общеевропейские усилия разрабатывали Joint European Torus (JET), а Япония начала разработку JT-60 (первоначально известную как «Центр для испытаний плазмы безубыточности»). . В США Хирш начал разрабатывать планы аналогичной конструкции, пропуская предложения по другой конструкции ступени прямо к конструкции, работающей на сжигании трития. Он стал реактором Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), запущенным непосредственно из Вашингтона и не связанным с какой-либо конкретной лабораторией. ^[68]Первоначально предпочитая Ок-Ридж в качестве ведущего, Хирш переместил его в PPPL после того, как другие убедили его, что они будут работать над этим больше всех, потому что им было больше всего проигрывать. ^[69]

Волнение было настолько велико, что примерно в это время было создано несколько коммерческих предприятий по производству коммерческих токамаков. Самый известный из них: в 1978 году Боб Гуччионе , издатель журнала Penthouse Magazine , познакомился с Робертом Бюссардом и стал крупнейшим и наиболее преданным частным инвестором в мире в технологии термоядерного синтеза, в конечном итоге вложив 20 миллионов долларов своих собственных денег в Compact Tokamak Бюссарда. Финансирование со стороны Riggs Bank привело к тому, что эта попытка была известна как Riggatron . ^[70]

TFTR выиграл гонку строительства и начал работу в 1982 году, вскоре за ним последовали JET в 1983 году и JT-60 в 1985 году. JET быстро занял лидирующую позицию в критических экспериментах, перейдя от испытательных газов к дейтерию и все более мощным «выстрелам». Но вскоре стало ясно, что ни одна из новых систем не работает должным образом. Возникло множество новых нестабильностей, а также ряд более практических проблем, которые продолжали мешать их работе. Кроме того, как в TFTR, так и в JET были очевидны опасные «выбросы» плазмы, ударяющейся о стенки реактора. Даже при идеальной работе удержание плазмы при температурах термоядерного синтеза, так называемый « тройной продукт термоядерного синтеза », по-прежнему было намного ниже того, что было бы необходимо для практической конструкции реактора.

К середине 1980-х годов стали ясны причины многих из этих проблем, и были предложены различные решения. Однако это значительно увеличило бы размер и сложность машин. Последующий проект, включающий эти изменения, будет огромен и намного дороже, чем JET или TFTR. В области слияния наступил новый период пессимизма.

ИТЭР [ править ]

В то же время, когда эти эксперименты демонстрировали проблемы, большая часть импульса для массового финансирования США исчезла; в 1986 году Рональд Рейган объявил, что энергетический кризис 1970-х закончился ^[71], а финансирование передовых источников энергии было урезано в начале 1980-х.

Некоторые мысли о проектировании международного реактора продолжались с июня 1973 года под названием INTOR, или IN International TOkamak Reactor. Первоначально это было начато благодаря соглашению между Ричардом Никсоном и Леонидом Брежневым , но продвигалось медленно с момента их первой настоящей встречи 23 ноября 1978 г. ^[72]

Во время Женевского саммита в ноябре 1985 года Рейган поднял этот вопрос перед Михаилом Горбачевым и предложил реформировать организацию. «... Два лидера подчеркнули потенциальную важность работы, направленной на использование управляемого термоядерного синтеза в мирных целях, и в этой связи выступили за максимально широкое практическое развитие международного сотрудничества в получении этого источника энергии, который по сути неисчерпаем, для благо для всего человечества ". ^[73]

В следующем году было подписано соглашение между США, Советским Союзом, Европейским Союзом и Японией о создании Международной организации термоядерных экспериментальных реакторов . ^{[74] [75]}

Проектные работы начались в 1988 году, и с тех пор реактор ИТЭР является основным проектом токамака во всем мире.

Дизайн токамака [ править ]

Основная проблема [ править ]

Положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны в термоядерной плазме имеют очень высокие температуры и, соответственно, большие скорости. Чтобы поддерживать процесс термоядерного синтеза, частицы горячей плазмы должны удерживаться в центральной области, иначе плазма будет быстро остывать. Термоядерные устройства с магнитным удержанием используют тот факт, что заряженные частицы в магнитном поле испытывают силу Лоренца и движутся по спирали вдоль силовых линий. ^[76]

Простейшая система магнитного удержания - соленоид . Плазма в соленоиде будет вращаться по спирали вокруг силовых линий, проходящих вниз по его центру, предотвращая движение в стороны. Однако это не мешает движению к концам. Очевидное решение - согнуть соленоид в круг, образуя тор. Однако было продемонстрировано, что такое расположение не является единообразным; по чисто геометрическим причинам поле на внешнем крае тора меньше, чем на внутреннем. Эта асимметрия заставляет электроны и ионы дрейфовать по полю и в конечном итоге ударяются о стенки тора. ^[18]

Решение состоит в том, чтобы сформировать линии так, чтобы они не просто проходили вокруг тора, а закручивались, как полосы на палке парикмахера или леденце . В таком поле любая отдельная частица окажется на внешнем краю, где она будет дрейфовать в одну сторону, скажем, вверх, а затем, следуя своей магнитной линии вокруг тора, она окажется на внутреннем краю, где она будет дрейфовать другой. способ. Эта отмена не идеальна, но расчеты показали, что этого достаточно, чтобы топливо оставалось в реакторе в течение полезного времени. ^[76]

Раствор токамака [ править ]

Двумя первыми решениями для создания конструкции с требуемым скручиванием были стелларатор, который делал это посредством механического устройства, скручивающего весь тор, и конструкция с z-пинчем, которая пропускала электрический ток через плазму, создавая второе магнитное поле для тот же конец. Оба продемонстрировали улучшенное время удержания по сравнению с простым тором, но оба также продемонстрировали множество эффектов, которые вызвали потерю плазмы из реакторов со скоростью, которая была неустойчивой.

По своей физической структуре токамак по существу идентичен концепции z-пинча. ^[77] Ключевым нововведением было осознание того, что нестабильность, из-за которой пинч теряет плазму, можно контролировать. Проблема заключалась в том, насколько «извилистыми» были поля; поля, которые заставляли частицы проходить внутрь и наружу более одного раза за орбиту вокруг тора с длинной осью, были намного более стабильными, чем устройства с меньшим скручиванием. Это отношение витков к орбитам стало известно как коэффициент безопасности , обозначаемый q . Предыдущие устройства работают при д о ¹ / ₃ , в то время как токамак работает при д >> 1. Это увеличивает стабильность на несколько порядков.

При более внимательном рассмотрении проблемы возникает необходимость в вертикальной (параллельной оси вращения) компоненте магнитного поля. Сила Лоренца тороидального плазменного тока в вертикальном поле обеспечивает внутреннюю силу, которая удерживает плазменный тор в равновесии.

Другие проблемы [ править ]

В то время как токамак решает проблему стабильности плазмы в общем смысле, плазма также подвержена ряду динамических нестабильностей. Один из них, нестабильность изгиба , сильно подавляется компоновкой токамака, что является побочным эффектом высоких коэффициентов безопасности токамаков. Отсутствие изгибов позволило токамаку работать при гораздо более высоких температурах, чем предыдущие машины, и это позволило появиться множеству новых явлений.

Одна из них, банановые орбиты , вызвана широким диапазоном энергий частиц в токамаке - большая часть топлива горячее, но определенный процент намного холоднее. Из-за сильного скручивания полей в токамаке частицы, следуя своим силовым линиям, быстро движутся к внутреннему краю, а затем к внешнему. По мере того, как они движутся внутрь, они подвергаются увеличивающимся магнитным полям из-за меньшего радиуса концентрации поля. Частицы с низкой энергией в топливе будут отражаться от этого увеличивающегося поля и начнут двигаться назад через топливо, сталкиваясь с ядрами с более высокой энергией и рассеивая их из плазмы. Этот процесс приводит к потере топлива из реактора, хотя этот процесс достаточно медленный, и практический реактор все еще находится в пределах досягаемости. ^[78]

Безубыток, Q и зажигание [ править ]

Одна из первых целей любого устройства управляемого термоядерного синтеза - достичь безубыточности , точки, в которой энергия, выделяемая реакциями термоядерного синтеза, равна количеству энергии, используемой для поддержания реакции. Отношение выхода к входу энергии обозначается Q и безубыток соответствует Q в 1. Q более , чем один необходим для реактора , чтобы генерировать чистую энергию, но по практическим причинам, желательно , чтобы он был значительно выше , .

После того, как будет достигнута равновесная, дальнейшие улучшения в камере обычно приводит к быстро растущей Q . Это связано с тем, что часть энергии, выделяемой реакциями синтеза наиболее распространенного термоядерного топлива, смеси дейтерия и трития в соотношении 50-50 , находится в форме альфа-частиц . Они могут столкнуться с ядрами топлива в плазме и нагреть ее, уменьшая необходимое количество внешнего тепла. В каком - то момент, известном как зажигании , это внутренний саморазогрев достаточно , чтобы продолжение реакции без какого - либо внешнего нагрева, что соответствует бесконечной Q .

В случае токамака этот процесс саморазогрева максимизируется, если альфа-частицы остаются в топливе достаточно долго, чтобы гарантировать, что они столкнутся с топливом. Поскольку альфа-компоненты электрически заряжены, они подвергаются воздействию тех же полей, которые ограничивают топливную плазму. Время, которое они проводят в топливе, может быть увеличено до максимума, если их орбита в поле остается внутри плазмы. Можно продемонстрировать, что это происходит, когда электрический ток в плазме составляет около 3 МА. ^[79]

Продвинутые токамаки [ править ]

В начале 1970-х годов, когда в Принстоне проводились исследования по использованию мощных сверхпроводящих магнитов в будущих конструкциях токамаков, изучалась их компоновка. Они заметили, что расположение основных тороидальных катушек означало, что между магнитами внутри кривизны, где они были ближе друг к другу, было значительно большее натяжение. Принимая во внимание это, они отметили, что силы натяжения внутри магнитов были бы выровнены, если бы они имели форму буквы D, а не буквы O. Это стало известно как «принстонская D-катушка». ^[80]

Это был не первый случай рассмотрения такого рода договоренностей, хотя и по совершенно другим причинам. Коэффициент запаса прочности варьируется по оси станка; по чисто геометрическим причинам он всегда меньше на внутреннем крае плазмы, ближайшем к центру машины, потому что длинная ось там короче. Это означает, что машина со средним q = 2 может быть меньше 1 в определенных областях. В 1970-х годах было предложено, чтобы один из способов противодействовать этому и создать конструкцию с более высоким средним q - это сформировать магнитные поля так, чтобы плазма заполняла только внешнюю половину тора, имеющую форму буквы D или C. торцевой, вместо нормального круглого сечения.

Одной из первых машин с D-образной плазмой была JET , разработка которой началась в 1973 году. Это решение было принято как по теоретическим, так и по практическим причинам; поскольку сила больше на внутреннем крае тора, существует большая результирующая сила, давящая внутрь на весь реактор. D-образная форма также имела то преимущество, что уменьшала результирующую силу, а также делала поддерживаемый внутренний край более плоским, поэтому его было легче поддерживать. ^[81] Код, исследующий общую схему, заметил, что некруглая форма будет медленно смещаться по вертикали, что привело к добавлению активной системы обратной связи, чтобы удерживать ее в центре. ^[82] После того, как JET выбрал этот макет, General AtomicsКоманда Doublet III переработала эту машину в D-IIID с D-образным поперечным сечением, и она также была выбрана для японской конструкции JT-60 . С тех пор эта раскладка стала в значительной степени универсальной.

Одна проблема, наблюдаемая во всех термоядерных реакторах, заключается в том, что присутствие более тяжелых элементов вызывает потерю энергии с повышенной скоростью, охлаждая плазму. На самом раннем этапе развития термоядерной энергии было найдено решение этой проблемы - дивертор , по сути, большой масс-спектрометр , который вызывал выброс более тяжелых элементов из реактора. Первоначально это было частью конструкции стелларатора , где его легко интегрировать в магнитные обмотки. Однако создание дивертора для токамака оказалось очень сложной конструкторской проблемой.

Еще одна проблема, наблюдаемая во всех конструкциях термоядерного синтеза, - это тепловая нагрузка, которую плазма оказывает на стенку камеры удержания. Есть материалы, которые могут справиться с этой нагрузкой, но, как правило, это нежелательные и дорогие тяжелые металлы . Когда такие материалы распыляются при столкновении с горячими ионами, их атомы смешиваются с топливом и быстро охлаждают его. Решение, используемое в большинстве конструкций токамаков, - это ограничитель , небольшое кольцо из легкого металла, которое выступало в камеру, так что плазма ударяла по нему, прежде чем ударялась о стены. Это разрушило ограничитель и заставило его атомы смешаться с топливом, но эти более легкие материалы вызывают меньше разрушений, чем материалы стен.

Когда реакторы перешли на D-образную плазму, было быстро замечено, что поток убегающих частиц плазмы также может быть сформирован. Со временем это привело к идее использования полей для создания внутреннего дивертора, который выбрасывает более тяжелые элементы из топлива, как правило, в нижнюю часть реактора. Там лужа жидкого металлического лития используется как своего рода ограничитель; частицы ударяются о него и быстро охлаждаются, оставаясь в литии. Этот внутренний бассейн намного легче охладить из-за его расположения, и хотя некоторые атомы лития попадают в плазму, его очень низкая масса делает его гораздо меньшей проблемой, чем даже самые легкие металлы, которые использовались ранее.

Когда машины начали исследовать эту недавно сформированную плазму , они заметили, что определенные конфигурации полей и параметров плазмы иногда переходят в то, что сейчас известно как режим высокого удержания или H-режим, который стабильно работает при более высоких температурах и давлениях. Работа в H-режиме, который также можно увидеть в стеллараторах, в настоящее время является основной целью конструкции токамака.

Наконец, было отмечено, что при неоднородной плотности плазмы возникают внутренние электрические токи. Это известно как ток начальной загрузки . Это позволяет правильно спроектированному реактору генерировать часть внутреннего тока, необходимого для скручивания силовых линий магнитного поля, без необходимости его подачи от внешнего источника. Это имеет ряд преимуществ, и все современные разработки стремятся генерировать как можно большую часть своего общего тока посредством процесса начальной загрузки.

К началу 1990-х годов сочетание этих и других характеристик в совокупности привело к появлению концепции «усовершенствованного токамака». Это составляет основу современных исследований, в том числе ИТЭР.

Сбои в плазме [ править ]

Токамаки подвержены событиям, известным как «сбои», из-за которых ограничение свободы теряется за миллисекунды . Есть два основных механизма. В одном случае, «событие вертикального смещения» (VDE), вся плазма движется вертикально, пока не коснется верхней или нижней части вакуумной камеры. С другой стороны, «серьезное нарушение», длинноволновая, неосесимметричная магнитогидродинамическая нестабильность заставляет плазму принимать несимметричные формы, часто сдавливаемые в верхнюю и нижнюю части камеры. ^[83]

Когда плазма касается стенок сосуда, она подвергается быстрому охлаждению или «термическому тушению». В случае сильного разрушения это обычно сопровождается кратковременным увеличением тока плазмы по мере ее концентрации. Тушение в конечном итоге приводит к разрушению удерживаемой плазмы. В случае серьезного сбоя ток снова падает, «гашение тока». Первоначального увеличения тока в VDE не наблюдается, а термическое и токовое гашение происходит одновременно. ^[83] В обоих случаях тепловая и электрическая нагрузка плазмы быстро передается на корпус реактора, который должен выдерживать эти нагрузки. ИТЭР рассчитан на обработку 2600 таких событий за время своего существования. ^[84]

Для современных высокоэнергетических устройств, в которых токи плазмы составляют порядка 15 мегаампер в ИТЭР , возможно кратковременное увеличение тока во время серьезного сбоя, превышающее критический порог. Это происходит, когда ток создает на электроны силу, превышающую силы трения при столкновении частиц в плазме. В этом случае электроны могут быть быстро ускорены до релятивистских скоростей, создавая так называемые «убегающие электроны» в релятивистской лавине убегающих электронов . Они сохраняют свою энергию даже тогда, когда гашение тока происходит в основной части плазмы. ^[84]

Когда удержание окончательно разрушается, эти убегающие электроны следуют по пути наименьшего сопротивления и ударяются о стенку реактора. Они могут достигать 12 мегаампер тока на небольшой площади, что выходит за рамки возможностей любого механического решения. ^[83] В одном известном случае на токамаке Фонтене-о-Розес произошел серьезный сбой, когда убегающие электроны прожгли дыру в вакуумной камере. ^[84]

Частота серьезных сбоев в работе токамаков всегда была довольно высокой, порядка нескольких процентов от общего количества выстрелов. В токамаках, эксплуатируемых в настоящее время, ущерб часто бывает большим, но редко значительным. В токамаке ИТЭР ожидается, что возникновение ограниченного числа серьезных сбоев приведет к окончательному повреждению камеры без возможности восстановления устройства. ^{[85] [86] [87]} Разработка систем противодействия эффектам убегающих электронов считается обязательной технологией для рабочего уровня ИТЭР. ^[84]

Большая амплитуда центральной плотности тока также может привести к внутренним нарушениям или зубчатым венам, которые обычно не приводят к прекращению разряда. ^[88]

Плазменный нагрев [ править ]

В работающем термоядерном реакторе часть генерируемой энергии будет служить для поддержания температуры плазмы по мере поступления свежего дейтерия и трития . Однако при запуске реактора, первоначально или после временного отключения, плазму необходимо нагреть до рабочей температуры более 10 кэВ (более 100 миллионов градусов Цельсия). В текущих экспериментах по магнитному синтезу на токамаках (и других) вырабатывается недостаточно энергии для поддержания температуры плазмы, и необходимо обеспечивать постоянный внешний нагрев. Китайские исследователи создали экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак. (EAST) в 2006 году, который, как полагают, поддерживает температуру плазмы 100 миллионов градусов по Цельсию (Солнце имеет температуру 15 миллионов градусов по Цельсию), которая требуется для инициирования синтеза между атомами водорода, согласно последнему тесту, проведенному в EAST (тест, проведенный в ноябре 2018 года) .

Омический нагрев ~ индуктивный режим [ править ]

Поскольку плазма является электрическим проводником, ее можно нагреть, пропустив через нее ток; индуцированный ток, который обеспечивает большую часть полоидального поля, также является основным источником начального нагрева.

Нагрев, вызванный индуцированным током, называется омическим (или резистивным) нагревом; это тот же вид нагрева, который происходит в электрической лампочке или в электронагревателе. Вырабатываемое тепло зависит от сопротивления плазмы и количества электрического тока, проходящего через нее. Но с повышением температуры нагретой плазмы сопротивление уменьшается, и омический нагрев становится менее эффективным. Оказывается, максимальная температура плазмы, достигаемая при омическом нагреве в токамаке, составляет 20–30 миллионов градусов Цельсия. Для получения еще более высоких температур необходимо использовать дополнительные методы нагрева.

Ток индуцируется путем постоянного увеличения тока через электромагнитную обмотку, связанную с плазменным тором: плазму можно рассматривать как вторичную обмотку трансформатора. По сути, это импульсный процесс, поскольку существует ограничение на ток через первичную обмотку (существуют также другие ограничения для длинных импульсов). Следовательно, токамаки должны либо работать в течение коротких периодов времени, либо полагаться на другие средства обогрева и тока.

Магнитное сжатие [ править ]

Газ можно нагреть резким сжатием. Точно так же температура плазмы увеличивается, если она быстро сжимается за счет увеличения ограничивающего магнитного поля. В токамаке это сжатие достигается простым перемещением плазмы в область с более сильным магнитным полем (то есть радиально внутрь). Поскольку сжатие плазмы сближает ионы, процесс имеет дополнительное преимущество, заключающееся в облегчении достижения необходимой плотности для термоядерного реактора.

Магнитное сжатие было областью исследований на раннем этапе «давки на токамаках» и было целью одной из основных разработок - ATC. С тех пор эта концепция не получила широкого распространения, хотя несколько похожая концепция является частью дизайна General Fusion .

Инжекция нейтрального луча [ править ]

Инжекция нейтрального пучка включает введение высокоэнергетических (быстро движущихся) атомов или молекул в омически нагретую плазму, удерживаемую магнитным полем внутри токамака.

Атомы высокой энергии образуются в виде ионов в дуговой камере, а затем выводятся через сетку высокого напряжения. Термин «ионный источник» обычно используется для обозначения сборки, состоящей из набора излучающих электроны нитей, объема дуговой камеры и набора вытяжных решеток. Второе устройство, аналогичное по концепции, используется для отдельного ускорения электронов до той же энергии. Более легкая масса электронов делает это устройство намного меньше, чем его ионный аналог. Затем два луча пересекаются, где ионы и электроны рекомбинируют в нейтральные атомы, позволяя им перемещаться через магнитные поля.

Как только нейтральный пучок попадает в токамак, происходят взаимодействия с основными ионами плазмы. Это имеет два эффекта. Во-первых, введенные атомы повторно ионизируются и становятся заряженными, тем самым оказываясь в ловушке внутри реактора и увеличивая массу топлива. Во-вторых, процесс ионизации происходит в результате ударов остальной части топлива, которые накапливают энергию в этом топливе, нагревая его.

Этот вид нагрева не имеет внутренних ограничений по энергии (температуре), в отличие от омического метода, но его скорость ограничена током в форсунках. Напряжение вывода источников ионов обычно составляет порядка 50–100 кВ, и для ИТЭР разрабатываются высоковольтные источники отрицательных ионов (-1 МВ). Стенд ИТЭР для испытаний нейтральным пучком в Падуе станет первым объектом ИТЭР, который начнет работу. ^[89]

Хотя инжекция нейтрального пучка используется в основном для нагрева плазмы, ее также можно использовать в качестве диагностического инструмента и для управления с обратной связью, создавая импульсный пучок, состоящий из последовательности коротких импульсов пучка длительностью 2–10 мс. Дейтерий является основным топливом для систем отопления с нейтральным пучком, а водород и гелий иногда используются для отдельных экспериментов.

Радиочастотный обогрев [ править ]

Высокочастотные электромагнитные волны генерируются осцилляторами (часто гиротронами или клистронами ) вне тора. Если волны имеют правильную частоту (или длину волны) и поляризацию, их энергия может передаваться заряженным частицам в плазме, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими частицами плазмы, тем самым повышая температуру плазмы в объеме. Существуют различные методы, включая нагрев электронным циклотронным резонансом (ECRH) и нагревание ионным циклотронным резонансом . Эта энергия обычно передается микроволнами.

Инвентарь частиц токамака [ править ]

Плазменные разряды внутри вакуумной камеры токамака состоят из заряженных ионов и атомов, и энергия от этих частиц в конечном итоге достигает внутренней стенки камеры через излучение, столкновения или отсутствие ограничения. Внутренняя стенка камеры охлаждается водой, и тепло от частиц отводится посредством проводимости через стенку в воду и конвекции нагретой воды во внешнюю систему охлаждения.

Турбомолекулярные или диффузионные насосы позволяют удалять частицы из основного объема, а криогенные насосы, состоящие из поверхности, охлаждаемой жидким гелием, служат для эффективного контроля плотности во всем разряде, обеспечивая сток энергии для возникновения конденсации. Если все сделано правильно, реакции синтеза производят большое количество нейтронов высокой энергии . Будучи электрически нейтральными и относительно маленькими, нейтроны не подвержены влиянию магнитных полей и не сильно задерживаются окружающей вакуумной камерой.

Поток нейтронов значительно снижается на специальной границе нейтронной защиты, которая окружает токамак во всех направлениях. Материалы щита различаются, но, как правило, это материалы, состоящие из атомов, размер которых близок к нейтронам, потому что они лучше всего поглощают нейтрон и его энергию. Подходящие материалы-кандидаты включают материалы с большим содержанием водорода, такие как вода и пластмассы. Атомы бора также являются хорошими поглотителями нейтронов. Таким образом, бетон и полиэтилен, легированный бором, являются недорогими материалами для защиты от нейтронов.

После освобождения нейтрон имеет относительно короткий период полураспада около 10 минут, прежде чем он распадется на протон и электрон с испусканием энергии. Когда придет время фактически попытаться произвести электричество из реактора на основе токамака, некоторые нейтроны, образующиеся в процессе термоядерного синтеза, будут поглощены жидкометаллическим бланкетом, а их кинетическая энергия будет использована в процессах теплопередачи, чтобы в конечном итоге превратить генератор.

Экспериментальные токамаки [ править ]

В настоящее время в эксплуатации [ править ]

(в хронологическом порядке начала работы)

• 1960-е: TM1-MH (с 1977 как Castor; с 2007 как Golem ^[90] ) в Праге , Чешская Республика . Работает в Курчатовском институте с начала 1960-х годов, но в 1977 году переименован в Castor и переведен в IPP CAS, ^[91] Прага. В 2007 году перешел в FNSPE, Чешский технический университет в Праге и переименован в Golem. ^[92]
• 1975: Т-10 , Курчатовский институт , Москва , Россия (бывший Советский Союз ); 2 МВт
• 1983: Joint European Torus (JET) в Калхэме , Соединенное Королевство.
• 1986-е: DIII-D , ^[93] в Сан-Диего , США; эксплуатируется General Atomics с конца 1980-х гг.
• 1987: СТОР-М , Саскачеванский университет ; Канада; первая демонстрация переменного тока в токамаке ^{[ требуется пояснение ] [ необходима ссылка ]}
• 1988: Tore Supra , ^[94] в CEA , Кадараш , Франция.
• 1989: Адитья , в Институте плазменных исследований (IPR) в Гуджарате , Индия.
• 1989: КОМПАС , ^[91] в Праге , Чешская Республика ; в эксплуатации с 2008 года, ранее работал с 1989 по 1999 год в Калхэме, Соединенное Королевство.
• 1990: FTU , ^[95] во Фраскати , Италия.
• 1991: ISTTOK , ^[96] в Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear , Лиссабон , Португалия.

• 1991: Обновление ASDEX , Гархинг , Германия
• 1992: H-1NF (Национальная лаборатория исследования плазменного термоядерного синтеза H-1) ^[97] на основе устройства H-1 Heliac, созданного группой физики плазмы Австралийского национального университета, и находится в эксплуатации с 1992 года.
• 1992: переменная конфигурации Tokamak à (TCV), в EPFL , Швейцария
• 1993: HBT-EP Tokamak, Колумбийский университет в Нью-Йорке , США ^[98]
• 1994: TCABR , Университет Сан-Паулу , Сан-Паулу , Бразилия; этот токамак был передан из Швейцарского плазменного центра в Швейцарии
• 1995: HT-7 , Институт физики плазмы , Хэфэй , Китай.
• 1996: эксперимент Pegasus Toroidal ^[99] в Университете Висконсин-Мэдисон ; в эксплуатации с конца 1990-х гг.
• 1999: NSTX в Принстоне, Нью-Джерси
• 1999: Глобус-М в ФТИ , Санкт - Петербург , Россия
• 2002: HL-2A , Чэнду , Китай
• 2006: ВОСТОК (HT-7U), Хэфэй , Институт физических наук Хэфэя , Китай ( член ИТЭР )
• 2008: KSTAR , в Тэджоне , Южная Корея ( ITER член)
• 2010: JT-60SA , Нака , Япония ( член ИТЭР ); модернизирован с JT-60.
• 2012: Medusa CR, Картаго , Технологический институт Коста-Рики , Коста-Рика
• 2012: SST-1 , в Гандинагаре , в Институте плазменных исследований , Индия ( член ИТЭР )
• 2012: IR-T1, Исламский университет Азад, отделение науки и исследований, Тегеран , Иран ^[100]
• 2015: ST25-HTS в Tokamak Energy Ltd в Калхэме , Соединенное Королевство
• 2017: КТМ - это экспериментальная термоядерная установка для исследования и испытаний материалов в условиях энергетической нагрузки, близких к ИТЭР и будущим термоядерным реакторам, Казахстан.
• 2018: ST40 в Tokamak Energy Ltd в Калхэме , Соединенное Королевство
• 2020: HL-2M Китайская национальная ядерная корпорация и Юго-Западный институт физики, Китай

Ранее использовались [ править ]

• 1960-е: Т-3 и Т-4 , в Курчатовском институте , Москва, Россия (бывший Советский Союз); Т-4 в строю с 1968 года.
• 1963: LT-1 , группа физики плазмы Австралийского национального университета создала устройство для исследования тороидальных конфигураций, независимо обнаружив расположение токамака.
• 1970: Stellarator C вновь открывается как симметричный токамак в мае на PPPL
• 1971–1980: Техасский турбулентный токамак , Техасский университет в Остине , США.
• 1972: Адиабатический тороидальный компрессор начинает работу на PPPL.
• 1973–1976: Tokamak de Fontenay aux Roses (TFR), недалеко от Парижа, Франция
• 1973–1979: Alcator A, Массачусетский технологический институт, США
• 1975: Princeton Large Torus начинает работу в PPPL
• 1978–1987: Alcator C, Массачусетский технологический институт, США
• 1978–2013: ТЕКСТОР , Юлих , Германия.
• 1979–1998: Токамак МТ-1, Будапешт, Венгрия (построен в Курчатовском институте, Россия, перевезен в Венгрию в 1979 году, перестроен в МТ-1М в 1991 году)
• 1980–1990: Токолоше Токамак, Совет по атомной энергии, Южная Африка ^[101]
• 1980–2004: TEXT / TEXT-U, Техасский университет в Остине , США.
• 1982–1997: TFTR , Принстонский университет , США.
• 1983–2000: Новилло Токамак , ^[102] в Национальном институте исследований в Мехико , Мексика.
• 1984–1992: Токамак HL-1, Чэнду , Китай
• 1985–2010 годы: JT-60 , Нака , префектура Ибараки , Япония; (В 2015–2018 годах модернизируется до модели Super, Advanced)
• 1987–1999: Токамак Варенн; Варенн , Канада; эксплуатируется Hydro-Québec и используется исследователями из Institut de recherche en électricité du Québec (IREQ) и Национального института научных исследований (INRS)
• 1988–2005: Т-15 , Курчатовский институт , Москва, Россия (бывший Советский Союз); 10 МВт
• 1991–1998: СТАРТ в Калхэме, Соединенное Королевство.
• 1990-е – 2001: КОМПАС , Калхэм, Соединенное Королевство.
• 1994–2001: HL-1M Tokamak, Чэнду , Китай
• 1999–2006: Электрический токамак Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе , США.
• 1999–2014: МАСТ , Калхэм , Соединенное Королевство.
• 1992–2016: Alcator C-Mod , ^[103] Массачусетский технологический институт , Кембридж , США.

Запланировано [ править ]

• ИТЭР , международный проект в Кадараше , Франция; 500 МВт; строительство началось в 2010 году, первая плазменная установка ожидается в 2025 году. Ожидается, что полностью введут в эксплуатацию к 2035 году. ^[104]
• ДЕМО ; 2000 МВт, в непрерывном режиме, подключен к электросети. Планируемый преемник ИТЭР; строительство начнется в 2024 году по предварительному графику.
• CFETR , также известный как «Китайский испытательный реактор термоядерного синтеза»; 200 МВт; Китайский термоядерный реактор нового поколения - это новый токамак. ^{[105] [106] [107] [108]}
• K-DEMO в Южной Корее; 2200–3000 МВт, чистая выработка электроэнергии планируется порядка 500 МВт; строительство намечено к 2037 году. ^[109]

См. Также [ править ]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Библиография [ править ]

• Браамс, К.М. и Стотт, ЧП (2002). Ядерный синтез: полвека исследований магнитного удержания . Издательский институт Физики. ISBN 978-0-7503-0705-5.
• Бромберг, Джоан Лиза (1982). Синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . MIT Press. ISBN 978-0-262-02180-7.
• Клери, Дэниел (2014). Кусочек Солнца: поиски термоядерной энергии . MIT Press. ISBN 978-1-4683-1041-2.
• Долан, Томас Дж. (1982). Fusion Research, Том 1 - Принципы . Pergamon Press. LCC  QC791.D64 .
• Герман, Робин (1990). Fusion: поиск бесконечной энергии . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-38373-8.
• Кадомцев, Б. (1966). «Гидродинамическая устойчивость плазмы» (PDF) . Обзоры по физике плазмы . С. 153–199.
• Кенвард, Майкл (24 мая 1979b). «Fusion Research - температура поднимается» . Новый ученый . Vol. 82 нет. 1156. с. 627.
• Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2012). Синтез: энергия Вселенной . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-384657-0.
• Нисикава К. и Вакатани М. (2000). Физика плазмы . Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-65285-4.
• Raeder, J .; и другие. (1986). Управляемый ядерный синтез . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-10312-7.
• Шафранов, Виталий (2001). «К истории исследований управляемого термоядерного синтеза» (PDF) . Журнал Российской академии наук . 44 (8): 835–865.
• Смирнов, Владимир (30 декабря 2009 г.). «Основание токамака в СССР / России 1950–1990» (PDF) . Ядерный синтез . 50 (1): 014003. Bibcode : 2010NucFu..50a4003S . CiteSeerX  10.1.1.361.8023 . DOI : 10.1088 / 0029-5515 / 50/1/014003 .
• Вессон, Джон; и другие. (2004). Токамаки . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850922-6.
• Вессон, Джон (ноябрь 1999 г.). Наука JET (PDF) . Совместное предприятие JET.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме токамаков .

Поищите токамак в Викисловаре, бесплатном словаре.

• CCFE - сайт британского центра исследований синтеза CCFE .
• Международные исследования токамака - различные, относящиеся к ИТЭР
• Plasma Science - сайт о токамаках от французской CEA .
• Программы термоядерного синтеза в General Atomics , включая DIII-D National Fusion Facility, экспериментальный токамак.
• Программа General Atomics DIII-D
• Семинар по физике термоядерного синтеза и плазмы в MIT OCW
• Неофициальный фан-клуб ИТЭР - фанаты самого большого токамака, который планируется построить в ближайшее время.
• All-the-Worlds-Tokamaks Обширный список текущих и исторических токамаков со всего мира.
• SSTC-1 Обзорное видео концепции маломасштабного токамака.
• SSTC-2 на YouTube Просмотр раздела Видео с концепцией маломасштабного токамака.
• SSTC-3 на YouTube Пролетное видео концепции небольшого токамака.
• LAP Tokamak Development Информация об условиях, необходимых для ядерной реакции в реакторе токамак
• А. П. Фрасс (1973). «Технические проблемы при проектировании управляемых термоядерных реакторов» (PDF) . Национальная лаборатория Окриджа . Проверено 30 сентября 2013 года .
• Статья в газете Observer о ядерном синтезе на Токомаке и перспективах светлого будущего