Токамак - Tokamak

Реакционная камера DIII-D, экспериментальный термоядерный реактор токамак, эксплуатируемый General Atomics в Сан-Диего, который использовался в исследованиях с момента его завершения в конце 1980-х годов. Характеристика тор -образная камера облицована графит чтобы помочь выдержать сильную жару.

А токамак (/ˈтoʊkəмæk/; русский: Токамак) - это устройство, в котором используется мощный магнитное поле ограничить горячий плазма в форме тор. Токамак - один из нескольких видов магнитное удержание разрабатываются устройства для производства контролируемых термоядерный термоядерная энергия. По состоянию на 2020 год^{[Обновить]}, это ведущий кандидат на практическую термоядерный реактор.^[1]

Первоначально концепция токамаков была разработана советскими физиками в 1950-х годах. Игорь Тамм и Андрей Сахаров, вдохновленный письмом Олег Лаврентьев. Первый рабочий токамак был отнесен к работе Натан Явлинский на Т-1 в 1958 году.^[2] Было продемонстрировано, что стабильное плазменное равновесие требует силовые линии магнитного поля этот ветер вокруг тора в спираль. Такие устройства, как z-щепотка и стелларатор пытался это сделать, но продемонстрировал серьезную нестабильность. Это было развитие концепции, теперь известной как коэффициент безопасности (помечено q в математической нотации), который руководил развитием токамака; расположив реактор так, чтобы этот критический фактор q всегда было 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 проигнорированы; Лайман Спитцер уволили их сразу после того, как отметили 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, Советы пригласили делегацию из объединенное Королевство сделать свои собственные замеры. Они подтвердили советские результаты, и их публикация в 1969 году привела к ажиотажу строительства 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. С целью безубыточности (a коэффициент увеличения энергии термоядерного синтеза равный 1) сейчас на виду, была разработана новая серия машин, которые работали бы на термоядерном топливе дейтерий и тритий. Эти машины, особенно Совместный европейский тор (JET), Термоядерный испытательный реактор Токамак (TFTR) и JT-60, имел явную цель - достичь безубыточности.

Вместо этого эти машины продемонстрировали новые проблемы, ограничивающие их производительность. Для их решения потребуется гораздо более крупная и дорогая машина, за пределами возможностей любой страны. После первоначального соглашения между Рональд Рейган и Михаил Горбачев в ноябре 1985 г. Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) появился и остается основным международным усилием по развитию практической термоядерной энергии. Множество небольших проектов и ответвлений, таких как сферический токамак, продолжают использоваться для исследования параметров производительности и других проблем. По состоянию на 2020 год^{[Обновить]}, JET остается рекордсменом по мощности термоядерного синтеза, достигая 16 МВт на 24 МВт входной тепловой мощности.

Этимология

Слово токамак это транслитерация из русский слово токамак, сокращение от:

тороидальная камера с магнитными катушками

кроидальная камера с магнитными kатушками

кроидальный чаmber с маgnetic cмасла;

или же

тороидальная камера с аксиальным магнитным полем

кроидальная камэра аксиальным магнитным полем

кроидальный чамБер с топормагнитное поле.^[3]

Термин был создан в 1957 г. Игорь Головин,^[4][а] заместитель директора Лаборатории измерительных приборов Академии наук, сегодня Курчатовский институт. Аналогичный термин, токомагтоже предлагалось какое-то время.^[6]

История

Марка СССР, 1987 г .: термоядерная система Токамак.

Первые шаги

В 1934 г. Марк Олифант, Пол Хартек и Эрнест Резерфорд были первыми, кто осуществил синтез на Земле, используя ускоритель частиц выстрелить дейтерий ядра в металлическую фольгу, содержащую дейтерий или другие атомы.^[7] Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза, и определили, что реакция дейтерий-дейтерий протекает при более низкой энергии, чем другие реакции, достигая максимума около 100000электронвольт (100 кэВ).^[8][b]

Слияние на основе ускорителей нецелесообразно, потому что сечение реакции крошечный; 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 дает начало имени термоядерный из-за высоких температур, необходимых для его возникновения. В 1944 г. 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]

Вовремя Манхэттенский проект, был создан первый практический способ достижения этих температур с использованием Атомная бомба. В 1944 году Ферми выступил с докладом о физике термоядерного синтеза в контексте тогдашней гипотетической теории. водородная бомба. Однако некоторые мысли уже были высказаны контролируемый термоядерное устройство, и Джеймс Л. Так и Станислав Улам пытался такое использование кумулятивные заряды прогоняя металлическую фольгу, пропитанную дейтерием, но безуспешно.^[11]

Первые попытки построить практическую термоядерную машину были предприняты в объединенное Королевство, куда Джордж Пэджет Томсон выбрал щепотка эффект в качестве многообещающей техники в 1945 году. После нескольких неудачных попыток получить финансирование он сдался и попросил двух аспирантов, Стэна Казинса и Алана Уэра, построить устройство из лишнего. радар оборудование. Это было успешно выполнено в 1948 году, но не выявило явных доказательств термоядерного синтеза и не заинтересовало Научно-исследовательский центр по атомной энергии.^[12]

Письмо Лаврентьева

В 1950 г. Олег Лаврентьев, затем Красная армия сержант на Сахалин мало делаю, написал письмо в Центральный Комитет Коммунистической партии Советского Союза. В письме изложена идея использования Атомная бомба чтобы зажечь термоядерное топливо, а затем перешел к описанию системы, которая использовала электростатический поля для удержания горячей плазмы в стационарном состоянии для производства энергии.^[13][14][c]

Письмо было отправлено Андрей Сахаров для комментария. 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 свидетельство важности письма Лаврентьева можно увидеть в скорости, с которой оно было обработано; письмо поступило в ЦК 29 июля, Сахаров прислал рецензию 18 августа, к октябрю Сахаров и Игорь Тамм завершили первое подробное исследование термоядерного реактора и запросили финансирование для его строительства в январе 1951 года.^[15]

Магнитное удержание

При нагревании до температур плавления электроны в атомах диссоциируют, 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 силовые линии.^[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 можно создать в соленоид, цилиндр с обернутыми снаружи магнитами. 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 пончика или тора, чтобы линии образовали серию непрерывных колец. В этом устройстве частицы вращаются бесконечно.^[17]

Сахаров обсудил концепцию с Игорь Тамм, и к концу октября 1950 года они написали предложение и отправили его в Игорь Курчатов, руководитель проекта атомной бомбы в СССР и его заместитель, Игорь Головин.^[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 находятся 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 Лаборатория 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 создавал магнитное поле, которое смешивалось бы с магнитным полем снаружи. Результирующее поле будет закручено в спираль, так что любая заданная частица будет неоднократно оказываться 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 отчет по этой теме был направлен в Лаврентий Берия, который руководил атомными работами в СССР. Некоторое время назад ничего не было слышно.^[4]

Рихтер и рождение исследований в области термоядерного синтеза

Рональд Рихтер (слева) с Хуан Доминго Перон (верно). Заявления Рихтера стимулировали исследования термоядерного синтеза во всем мире.

25 марта 1951 года президент Аргентины Хуан Перон объявил, что бывший немецкий ученый, Рональд Рихтер, удалось произвести термоядерный синтез в лабораторных условиях в рамках того, что сейчас известно как Huemul Project. 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 Хюемуля, понял, что это ложь, и приступил к разработке машины, которая будет работать.^[21] В мае ему было присуждено 50 000 долларов на начало исследования своего стелларатор концепция.^[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 сразу же связался с Берией с предложением создать отдельную лабораторию термоядерных исследований с Лев Арцимович как директор. Всего несколько дней спустя, 5 мая, предложение было подписано Иосиф Сталин.^[4]

Новые идеи

красная плазма на ВОСТОКЕ

К октябрю Сахаров и Тамм завершили гораздо более детальное рассмотрение своего первоначального предложения, призывая к устройству 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) тритий в день или разводите 10 кг (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 систему зажима, которая разрабатывалась в Великобритании.^[11] хотя они пришли к этому дизайну 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 нагревал бы ее через нормальный резистивный нагрев, но это не нагреет плазму до температур термоядерного синтеза. Однако по мере схлопывания плазмы адиабатический процесс приведет к резкому повышению температуры, более чем достаточному для термоядерного синтеза. При таком развитии событий только Головин и Натан Явлинский продолжил рассмотрение более статичной тороидальной конструкции.^[5]

Нестабильность

4 июля 1952 г. Николай Филиппов группа измерила нейтроны выпускается из линейной пережимной машины. Лев Арцимович потребовали, чтобы они все проверили, прежде чем заключить, что термоядерный синтез произошел, и во время этих проверок они обнаружили, 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 исследование, означала, что ни одна из групп не знала, что другие работали над этим, не говоря уже о том, чтобы иметь ту же проблему.^[24]

После долгих исследований было обнаружено, что нейтроны были вызваны нестабильностью в плазме. Было два распространенных типа нестабильности: колбаса это было замечено прежде всего в линейных машинах, а перегиб что было наиболее распространено 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, а 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 диамагнитный, он проникал только во внешние области плазмы.^[24] Когда произошел пинчевый разряд и плазма быстро сжалась, это поле «вморожилось» в образовавшуюся нить, создавая сильное поле во внешних слоях. В США это было известно как «создание основы для плазмы».^[27]

Сахаров пересмотрел свою первоначальную тороидальную концепцию 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

Хрущев (примерно по центру, лысый), Курчатов (справа, бородатый) и Булганин (справа, седой) посетили Харвелл 26 апреля 1956 года. Напротив них стоит Кокрофт (в очках), а ведущий указывает на макеты различных материалов проходят испытания во вновь открывшемся Реактор DIDO.

В 1955 году, когда линейные подходы все еще нестабильны, в СССР был построен первый тороидальный прибор. TMP была классической машиной для пережима, подобной моделям той же эпохи в Великобритании и США. Вакуумная камера была сделана из керамики, и спектры разрядов показали диоксид кремния, что означает, что плазма не была идеально удержана магнитным полем и не ударялась о стенки камеры.^[5] За ними последовали две машины меньшего размера с медными оболочками.^[6] Электропроводящие оболочки были предназначены для стабилизации плазмы, но не были полностью успешными ни на 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 А. Никита Хрущев и Николай Булганин. Он предложил выступить с докладом в Исследовательском институте атомной энергии, на бывшей RAF Harwell, где он шокировал хозяев, представив подробный исторический обзор советских усилий по синтезу.^[30] Он нашел время, чтобы отметить, в частности, нейтроны, обнаруженные в ранних машинах, и предупредил, что нейтроны не означают термоядерный синтез.^[31]

Неизвестные Курчатову англичане ZETA на дальнем конце бывшей взлетно-посадочной полосы строилась стабилизированная пережимная машина. 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 произвести 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 изучил сообщения новостей и попытался 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

К этому времени советские исследователи решили построить более крупную тороидальную машину по схеме, предложенной 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 коэффициент безопасности. Отношение количества раз, когда частица вращается вокруг большой оси по сравнению с малой осью, обозначается q, а Предел Краскала-Шафранова заявил, что перегиб будет подавлен до тех пор, пока q > 1. Этот путь контролируется относительной силой внешних магнитов по сравнению с полем, создаваемым внутренним током. Иметь q > 1, внешние магниты должны быть намного мощнее или, в качестве альтернативы, необходимо уменьшить внутренний ток.^[25]

Следуя этому критерию, началось проектирование нового реактора Т-1, который сегодня известен как первый настоящий токамак.^[6] В T-1 использовались 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.^{[33][34][35][2]} За работу «Мощные импульсные разряды в газе для получения необычно высоких температур, необходимых для термоядерных процессов», Явлинский был награжден премией. Ленинская премия и Сталинская премия в 1958 году. Явлинский уже готовил проект еще большей модели, позже построенной как Т-3. После очевидно успешного объявления ZETA концепция Явлинского была воспринята очень положительно.^[30][36]

Подробности ZETA стали известны в серии статей в Природа позже в январе. К удивлению Шафранова, система действительно использовала концепцию «замороженного» поля.^[30] Он оставался скептически настроенным, но команда Иоффе в Санкт-Петербург начал планы построить аналогичную машину, известную как Alpha. 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

В рамках второго Мирный атом встреча в Женева 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 конструкции, 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. Решение этих проблем показало, что скорость диффузии плазмы была намного выше, чем предсказывала теория. По той или иной причине аналогичные проблемы были замечены во всех современных проектах. Стелларатор, различные концепции пинча и магнитное зеркало Все машины как в США, так и в СССР продемонстрировали проблемы, ограничивающие время их содержания.^[38]

Начиная с первых исследований управляемого термоядерного синтеза, проблема скрывалась в основе. Во время Манхэттенского проекта Дэвид Бом был частью команды, работающей над изотопным разделением уран. 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 своих экспериментов Бом разработал эмпирическую формулу, теперь известную как Диффузия Бома, что предполагало, 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 удерживать 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 устойчивые поля стелларатора не пострадают от этой проблемы. Различные эксперименты того времени показали, что ставка Бома неприменима и что классическая формула верна.^[40]

Но к началу 1960-х, когда во всех различных конструкциях плазму просачивались с огромной скоростью, Спитцер сам пришел к выводу, что масштаб Бома является неотъемлемым свойством плазмы и что магнитное удержание не работает.^[38] Все поле погрузилось в то, что стало известно как «депрессия»,^[42] период сильного пессимизма.^[5]

Прогресс токамака в 1960-е годы

В отличие от других конструкций, экспериментальные токамаки, по-видимому, развивались настолько хорошо, что небольшая теоретическая проблема теперь стала реальной проблемой. В присутствии силы тяжести в плазме есть небольшой градиент давления, который раньше был достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать, но теперь 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 побеждают Предел Бома.^[43]

В 1965 г. Международное агентство по атомной энергии Конференция по синтезу в недавно открывшемся в Великобритании Калемский центр термоядерной энергии 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]

Следующая крупная международная встреча по синтезу состоялась в августе 1968 г. Новосибирск. К этому времени были завершены два дополнительных проекта токамака: ТМ-2 в 1965 году и Т-4 в 1968 году. Результаты, полученные от 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 (эквивалент 10 миллионов 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 тела. Советы возразили несколькими аргументами, предполагающими, что температура, которую они измеряли, была Максвелловский, и дебаты бушевали.^[45]

Калхэм Пять

После ZETA британские команды начали разработку новых инструментов для диагностики плазмы, чтобы обеспечить более точные измерения. Среди них было использование лазер для прямого измерения температуры объемных электронов с помощью Томсоновское рассеяние. Этот метод был хорошо известен и уважался в сообществе фьюжн-разработчиков;^[46] Арцимович публично назвал это «блестящим». Арцимович пригласил Bas Pease, глава Culham, использовать свои устройства на советских реакторах. В разгар холодная война В рамках того, что до сих пор считается крупным политическим маневром Арцимовича, британским физикам разрешили посетить Курчатовский институт, центр советских разработок ядерной бомбы.^[47]

Британская команда по прозвищу «Калхэмская пятерка»,^[48] прибыл в конце 1968 года. После длительного процесса установки и калибровки команда измеряла температуру в течение многих экспериментальных запусков. 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 конфиденциальный телефонный звонок Вашингтону.^[49] Окончательные результаты опубликованы в Природа в ноябре 1969 г.^[50] Результаты этого объявления были охарактеризованы как «настоящая давка» строительства токамаков по всему миру.^[51]

Осталась одна серьезная проблема. Поскольку электрический ток в плазме был намного ниже и давал гораздо меньшее сжатие, чем пинч-машина, это означало, что температура плазмы ограничивалась скоростью резистивного нагрева тока. Впервые предложено в 1950 г. Удельное сопротивление Спитцера заявил, что электрическое сопротивление плазмы уменьшалась при повышении температуры,^[52] Это означает, что скорость нагрева плазмы будет снижаться по мере улучшения устройств и повышения температуры. Расчеты показали, что в результате 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

Одним из участников собрания в Новосибирске в 1968 г. был Амаса Каменный Епископ, один из лидеров термоядерной программы США. Одним из немногих других устройств, демонстрирующих явное свидетельство превышения предела Бома в то время, был многополюсный концепция. Обе Лоуренс Ливермор и Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), дом стелларатора Спитцера, строили вариации 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 в ярости, 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. Oak Ridge первоначально вошли в область термоядерного синтеза с исследованиями топливных систем реакторов, но затем расширились до собственной зеркальной программы. К середине 1960-х их проекты DCX исчерпали свои идеи и 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 серьезных внутренних дебатов Герман Постма сформировали небольшую группу в начале 1969 года для рассмотрения токамака.^[56] Они придумали новый дизайн, позже получивший название Ормак, в котором было несколько новых особенностей. Основным среди них было то, как внешнее поле создавалось в единственном большом медном блоке, питающемся от большого трансформатор 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 имело бы преимущество, позволяя тору иметь меньший большой радиус, без необходимости прокладывать кабели через отверстие для бублика, что приводило к меньшему соотношение сторон, что, как уже предполагали Советы, даст лучшие результаты.^[57]

Паника на токамаках в США

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

В течение 1969 года в поле вышли еще две группы. В General Atomics, Тихиро Окава разрабатывал многополюсные реакторы и представил концепцию, основанную на этих идеях. Это был токамак с некруглым поперечным сечением плазмы; та же математика, которая предполагала, что меньшее соотношение сторон улучшит производительность, также предполагала, что плазма C- или D-формы будет делать то же самое. Он назвал новый дизайн Дублет.^[58] Между тем, группа в Техасский университет в Остине предлагал относительно простой токамак для исследования нагрева плазмы за счет намеренно 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 вылетели предложения токамаков».^[59] Единственной крупной лабораторией, работающей над тороидальной конструкцией, которая не предлагала токамак, была Принстон, которая отказалась рассматривать его, несмотря на то, что их стелларатор модели C был практически идеальным для такого преобразования. Они продолжали предлагать длинный список причин, по которым Model C не следует переделывать. Когда их поставили под сомнение, разгорелась яростная дискуссия о том, были ли советские результаты надежными.^[59]

Наблюдая за происходящими дебатами, Готлиб передумал. Нет 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 сказал Гарольд Фурт свой план, на что Фурт ответил: «ну, может, ты прав».^[49] После обеда различные команды представили свои проекты, после чего Готлиб представил свою идею «стелларатора-токамака» на основе модели C.^[49]

Постоянный комитет отметил, что эта система может быть завершена за шесть месяцев, а Ормак займет 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 модели C, вскоре названная Симметричный токамак, предназначенные просто для проверки советских результатов, в то время как другие будут исследовать способы выйти далеко за рамки Т-3.^[60]

Отопление: США лидируют

Вид сверху на Большой Тор Принстон в 1975 году. PLT был чрезвычайно успешным термоядерным устройством на токамаке, которое установило множество рекордов и продемонстрировало, что температуры, необходимые для термоядерного синтеза, возможны.

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 проблему нагрева плазмы. Две концепции казались многообещающими. PPPL предложила использовать магнитное сжатие, метод, похожий на пинч, для сжатия теплой плазмы с целью повышения ее температуры, но обеспечивающий сжатие через магниты, а не через ток.^[61] Ок-Ридж предложил инжекция нейтрального пучка, небольшие ускорители частиц, которые стреляют атомами топлива через окружающее магнитное поле, где они сталкиваются с плазмой и нагревают ее.^[62]

PPPL Адиабатический тороидальный компрессор (ATC) начал работу в мае 1972 года, вскоре после этого был запущен ормак с нейтралью. 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 потерял расположение Вашингтонского руководящего комитета.^[63]

К этому времени строилась гораздо более крупная конструкция, основанная на лучевом обогреве. Принстонский Большой Тор, или PLT. PLT был разработан специально для того, 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 свою 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 изучить все многообещающие методы обогрева и в конечном итоге обнаружили, что нейтральные лучи являются одними из самых эффективных.^[65]

В течение этого периода, Роберт Хирш взял на себя управление развития термоядерного синтеза в Комиссия 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, производящего энергию.^[65] Это было усилено Нефтяной кризис 1973 года, что привело к значительному увеличению исследований Альтернативная энергетика системы.^[66]

1980-е: большие надежды, большое разочарование

В Совместный европейский тор (JET), крупнейший в настоящее время действующий токамак, который работает с 1983 года.

К концу 1970-х токамаки достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного реактора; в 1978 году PLT продемонстрировал температуру возгорания, в следующем году советский Т-7 успешно применил сверхпроводящий магниты впервые,^[67] Дублет оказался успешным и привел к тому, что почти во всех будущих конструкциях использовался подход «формованной плазмы». Оказалось, что все, что требовалось для создания энергетического реактора, - это объединить все эти конструктивные решения в единую машину, которая могла бы работать с радиоактивными отходами. тритий в его топливной смеси.^[68]

Гонка началась. В течение 1970-х годов во всем мире были профинансированы четыре основных предложения второго поколения. Советы продолжили развитие линии Т-15,^[67] в то время как общеевропейские усилия развивались Совместный европейский тор (JET) и Япония начали JT-60 усилия (первоначально известная как «Центр безубыточных испытаний плазмы»). В США Хирш начал разрабатывать планы аналогичной конструкции, пропуская предложения по другой конструкции ступеньки непосредственно к конструкции сжигания трития. Это появилось как Термоядерный испытательный реактор Токамак (TFTR), запускаются непосредственно из Вашингтона и не связаны 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 токамаков. Наиболее известный из них в 1978 г. Боб Гуччионе, издатель Пентхаус Журнал, встретились Роберт Бюссар и стал крупнейшим и наиболее преданным частным инвестором в технологии термоядерного синтеза, в конечном итоге вложив 20 миллионов долларов своих собственных денег в Compact Tokamak Бюссарда. Финансирование Riggs Bank привели к тому, что это усилие стало известно как Риггатрон.^[70]

TFTR выиграл гонку строительства и начал работу в 1982 году, за ним вскоре 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. Появилось множество новых нестабильностей, а также ряд более практических проблем, которые продолжали мешать их работе. Вдобавок к этому 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, т.н.тройное произведение слияния ", по-прежнему было намного ниже того, что было необходимо для практической конструкции реактора.

К середине 80-х годов прошлого века причины многих из этих проблем стали ясны, и были предложены различные решения. Однако это значительно увеличило бы размер и сложность машин. Последующий дизайн, включающий эти изменения, будет огромен и намного дороже, чем JET или TFTR. Новый период пессимизма наступил на поле термоядерного синтеза.

ИТЭР

Схема в разрезе Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) крупнейший токамак в мире, строительство которого началось в 2013 году и которое, по прогнозам, будет полностью введено в эксплуатацию в 2035 году. Он предназначен для демонстрации того, что практический термоядерный реактор возможно, и будет производить 500 мегаватт энергии. Синяя человеческая фигура внизу показывает масштаб.

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

Некоторые мысли о проектировании международного реактора продолжались с июня 1973 года под названием INTOR, или IN International TOkamak Reactor. Первоначально это было начато по соглашению между Ричард Никсон и Леонид Брежнев, но продвигался медленно с момента ее первой настоящей встречи 23 ноября 1978 г.^[72]

Вовремя Женевский саммит сверхдержав в ноябре 1985 г. Рейган поднял этот вопрос перед Михаил Горбачев 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 Международный термоядерный экспериментальный реактор организация.^[74][75]

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

Дизайн токамака

Магнитные поля в токамаке

Магнитное поле и ток токамака. Показаны тороидальное поле и катушки (синие), которые его создают, плазменный ток (красный) и создаваемое им полоидальное поле, а также результирующее скрученное поле, когда они накладываются друг на друга.

Основная проблема

Положительно заряженный ионы и отрицательно заряжен 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. В термоядерных устройствах с магнитным удержанием используется тот факт, что заряженные частицы в магнитном поле испытывают Сила Лоренца и следуйте по спирали вдоль силовых линий.^[76]

Простейшая система магнитного удержания - это соленоид. Плазма в соленоиде будет вращаться по спирали вокруг силовых линий, проходящих 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 однородным; по чисто геометрическим причинам поле на внешнем крае тора меньше, чем на внутреннем. Эта асимметрия заставляет электроны и ионы дрейфовать по полю, и в конце концов ударился о стенки тора.^[18]

Решение состоит в том, чтобы сформировать линии так, чтобы они не просто проходили вокруг тора, а закручивались, как полосы на парикмахерская или же леденец. 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. путь. Эта отмена не идеальна, но расчеты показали, что этого достаточно, чтобы топливо оставалось в реакторе в течение полезного времени.^[76]

Токамак раствор

Двумя первыми решениями для создания дизайна с требуемым поворотом были стелларатор который сделал это посредством механического устройства, скручивая весь тор, и z-щепотка конструкция, которая пропускала электрический ток через плазму, чтобы создать второе магнитное поле с того же конца. 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 практически идентичен концепции z-pinch.^[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, обозначенный q. Предыдущие устройства работали в q около ⅓, а токамак работает на q >> 1. Это увеличивает стабильность на порядки.

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 вопросы

Хотя токамак решает проблему стабильности плазмы в общем смысле, плазма также подвержена ряду динамических нестабильностей. Один из них, кинк нестабильность, 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.

Один из них, банановые орбиты, вызвано 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 отражать от этого увеличивающегося поля и начинают двигаться назад через топливо, сталкиваясь с ядрами более высоких энергий 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

Одна из первых целей любого управляемого термоядерного устройства - достичь точка безубыточности, точка, в которой энергия, выделяемая реакциями синтеза, равна количеству энергии, используемой для поддержания реакции. Отношение входной энергии к выходной обозначено Q, а безубыточность соответствует Q из 1. А Q по крайней мере один необходим для выработки реактором чистой энергии, но по практическим соображениям желательно, чтобы оно было намного выше.

После достижения безубыточности дальнейшие улучшения локализации обычно приводят к быстрому увеличению Q. Это связано с тем, что некоторая часть энергии выделяется реакциями синтеза наиболее распространенного термоядерного топлива, смеси 50-50 дейтерий и тритий, находится в виде альфа-частицы. Они могут столкнуться с ядрами топлива в плазме и нагреть ее, уменьшая необходимое количество внешнего тепла. В какой-то момент известный как зажигание, этого внутреннего саморазогрева достаточно, чтобы реакция продолжалась без какого-либо внешнего нагрева, соответствующего бесконечному Q.

В случае токамака этот процесс самонагрева максимизируется, если альфа-частицы остаются в топливе достаточно долго, чтобы гарантировать, что они столкнутся с топливом. Поскольку альфа-компоненты электрически заряжены, на них действуют те же поля, которые ограничивают топливную плазму. Время, которое они проводят в топливе, можно максимизировать, 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

В начале 1970-х годов в Принстоне в ходе исследований по использованию мощных сверхпроводящих магнитов в будущих конструкциях токамаков изучалась компоновка магнитов. 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 меняется 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 некоторых областях. В 1970-х годах было предложено, чтобы один из способов противодействовать этому и создать дизайн с более высоким средним q будет формировать магнитные поля так, чтобы плазма заполняла только внешнюю половину тора, имеющую форму буквы D или C, если смотреть с торца, вместо нормального круглого поперечного сечения.

Одной из первых машин с D-образной плазмой была JET, которая начала свои проектные работы 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 чистую силу, а также делала поддерживаемый внутренний край более плоским, поэтому его было легче поддерживать.^[81] Код, исследующий общий макет, заметил, что некруглая форма будет медленно смещаться по вертикали, что привело к добавлению активной системы обратной связи, чтобы удерживать ее в центре.^[82] Как только JET выбрал этот макет, General Atomics Команда Doublet III переработала эту машину в D-IIID с D-образным поперечным сечением, и она была выбрана для японцев. JT-60 дизайн. 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 это вызвало бы выброс более тяжелых элементов из реактора. Первоначально это было частью стелларатор конструкции, которые легко интегрируются в магнитные обмотки. Однако создание дивертора для токамака оказалось очень сложной конструкторской проблемой.

Другая проблема, наблюдаемая во всех конструкциях термоядерного синтеза, - это тепловая нагрузка, которую плазма накладывает на стенку камеры удержания. Есть материалы, которые выдерживают такую ​​нагрузку, но они, как правило, нежелательны и дороги. 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, маленькое кольцо из легкого металла, которое проецировалось 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 жидкости литий металл 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, используемые ранее.

Когда машины начали исследовать это новое формованная плазма, они заметили, что некоторые конфигурации полей и параметров плазмы иногда попадают в то, что сейчас известно как режим высокого удержания, или H-режим, который стабильно работал 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, когда плазма имеет неоднородную плотность, она вызывает внутренние электрические токи. Это известно как начальный ток. Это позволяет правильно спроектированному реактору генерировать часть внутреннего тока, необходимого для скручивания силовых линий магнитного поля, без необходимости его подачи от внешнего источника. У этого есть 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 породило концепцию «усовершенствованного токамака». Это составляет основу современных исследований, в том числе ИТЭР.

Сбои в плазме

Токамаки подвержены событиям, известным как «сбои», из-за которых изоляция теряется в 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. В другом - «большой разрыв», длинноволновый, неосесимметричный магнитогидродинамический нестабильности заставляют плазму принимать несимметричные формы, часто сдавливаемые в верхнюю и нижнюю части камеры.^[83]

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

Для современных высокоэнергетических устройств, где токи плазмы порядка 15 мегаамперы в ИТЭР, возможно, кратковременное увеличение тока во время серьезного сбоя превысит критический порог.Это происходит, когда ток создает на электронах 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 релятивистская лавина 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 Tokamak de Fontenay aux Roses 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 влиянию убегающих электронов считается обязательной технологией для рабочего уровня ИТЭР.^[84]

Большая амплитуда центральной плотности тока также может привести к внутренние сбои, или зубья пилы, которые обычно не приводят к прекращению выделения.^[88]

Плазменный нагрев

В работающем термоядерном реакторе часть генерируемой энергии будет служить для поддержания температуры плазмы свежей. дейтерий и тритий вводятся. Однако при запуске реактора, первоначально или после временного останова, плазму необходимо нагреть до ее Рабочая Температура 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

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, достижимая 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, потому что существует ограничение на ток через первичную обмотку (есть также другие ограничения на длинные импульсы). Следовательно, токамаки должны либо работать в течение коротких периодов времени, либо полагаться на другие средства обогрева и тока.

Магнитное сжатие

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 высоким магнитным полем (то есть радиально внутрь). Поскольку сжатие плазмы сближает ионы, процесс имеет дополнительное преимущество, заключающееся в облегчении достижения требуемой 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 General Fusion дизайн.

Инжекция нейтрального луча

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

Атомы с высокой энергией образуются в виде ионов в дуговой камере, а затем выводятся через сетку высокого напряжения. Термин «источник ионов» используется для обозначения узла, состоящего 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 столкновений с остальной частью 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. Напряжения извлечения источников ионов обычно составляют 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

Комплект сверхчастотных ламп (84 ГГц и 118 ГГц) для нагрева плазмы электронно-циклотронными волнами на Токамак à переменная конфигурации (TCV). Любезно предоставлено SPC-EPFL.

Высокочастотные электромагнитные волны генерируются осцилляторами (часто гиротроны или же клистроны ) 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, увеличивая тем самым температуру плазмы в объеме. Существуют различные методы, включая электронный циклотронный резонанс обогрев (ECRH) и ионный циклотронный резонанс обогрев. Эта энергия обычно передается микроволнами.

Инвентарь частиц токамака

Плазменные разряды в вакуумной камере 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 имеет водяное охлаждение, 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 высокой энергии. нейтроны. 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 защиты различаются, но обычно это материалы, состоящие из атомов, размер которых близок к нейтронам, потому что они лучше всего работают для поглощения нейтрона и его энергии. 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 использоваться в процессах теплопередачи, чтобы в конечном итоге превратить генератор.

Экспериментальные токамаки

В настоящее время в эксплуатации

(в хронологическом порядке начала работы)

Токамак à переменная конфигурации

• 1960-е: TM1-MH (с 1977 как Кастор; с 2007 как Голем^[90]) в Прага, Чехия. В эксплуатации в Курчатовский институт с начала 1960-х годов, но в 1977 году переименован в Castor и перешел в IPP CAS,^[91] Прага. В 2007 г. перешла в ФНСПО, Чешский технический университет в Праге и переименован в Голема.^[92]
• 1975: Т-10, в Курчатовский институт, Москва, Россия (ранее Советский союз ); 2 МВт
• 1983: Совместный европейский тор (JET), в Culham, Объединенное Королевство
• 1986-е: DIII-D,^[93] в Сан Диего, Соединенные Штаты; управляется General Atomics с конца 1980-х
• 1987: БУРЯ, Университет Саскачевана; Канада; первая демонстрация переменного тока в токамаке^{[требуется разъяснение ][нужна цитата ]}
• 1988: Тор Супра,^[94] на CEA, Cadarache, Франция
• 1989: Адитья, в Институт плазменных исследований (IPR) в Гуджарат, Индия
• 1989: КОМПАС,^[91] в Прага, Чехия; в эксплуатации с 2008 года, ранее работал с 1989 по 1999 год в Калхэме, Соединенное Королевство
• 1990: FTU,^[95] в Фраскати, Италия
• 1991: ИСТТОК,^[96] на Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Лиссабон, Португалия

Внешний вид NSTX реактор

• 1991: Обновление ASDEX, в Гархинг, Германия
• 1992: H-1NF (Национальный центр исследований плазменного синтеза H-1)^[97] основан на установке H-1 Heliac, созданной группой физики плазмы Австралийского национального университета, и находится в эксплуатации с 1992 г.
• 1992: Токамак à переменная конфигурации (TCV), в EPFL, Швейцария
• 1993: Токамак HBT-EP,^[98] на Колумбийский университет в Нью-Йорк, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ
• 1994: TCABR, на Университет Сан-Паулу, Сан-Паулу, Бразилия; этот токамак был переведен из Швейцарский центр плазмы в Швейцарии
• 1995: HT-7, на Институт физики плазмы, Хэфэй, Китай
• 1996: Пегас Тороидальный эксперимент^[99] на Университет Висконсина-Мэдисона; в эксплуатации с конца 1990-х гг.
• 1999: NSTX в Принстон, Нью-Джерси
• 1999: Глобус-М в Иоффе, Санкт-Петербург, Россия
• 2002: HL-2A, в Чэнду, Китай
• 2006: ВОСТОК (HT-7U), дюйм Хэфэй, в Институты физических наук Хэфэй, Китай (ИТЭР член)
• 2008: KSTAR, в Daejon, Южная Корея (ИТЭР член)
• 2010: JT-60SA, в Нака, Япония (ИТЭР член); модернизирован с JT-60.
• 2012: Medusa CR, в Картаго, в Instituto Tecnológico de Costa Rica, Коста-Рика
• 2012: SST-1, в Гандинагар, на Институт плазменных исследований, Индия (ИТЭР член)
• 2012: IR-T1, Исламский университет Азад, Отделение науки и исследований, Тегеран, Иран^[100]
• 2015: ST25-HTS на Токамак Энергия ООО в Culham, Объединенное 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 на Токамак Энергия ООО в Culham, Объединенное Королевство

Ранее работал

Диспетчерская токамака Alcator C на Массачусетский технологический институт Центр изучения плазмы и термоядерного синтеза, примерно в 1982–1983 гг.

• 1960-е годы: Т-3 и Т-4, в Курчатовский институт, Москва, Россия (бывший Советский Союз); Т-4 в эксплуатации с 1968 года.
• 1963: LT-1, Группа физики плазмы Австралийского национального университета построила устройство для исследования тороидальных конфигураций, независимо обнаружив расположение токамака.
• 1970: Стелларатор C вновь открывается как Симметричный токамак в мае на PPPL
• 1971–1980: Техасский турбулентный токамак, Техасский университет в Остине, НАС
• 1972 год. Адиабатический тороидальный компрессор начинает работу в PPPL
• 1973–1976: Tokamak de Fontenay aux Roses (СКР), недалеко от Парижа, Франция
• 1973–1979: Alcator A, Массачусетский технологический институт, США
• 1975: Принстонский Большой Тор начинает работу в PPPL
• 1978–1987: Alcator C, Массачусетский технологический институт, США
• 1978–2013: ТЕКСТОР, в 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, НАС
• 1982–1997: TFTR, Университет Принстона, НАС
• 1983–2000: Новилло Токамак,^[102] на Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, в Мехико, Мексика
• 1984–1992: Токамак HL-1, г. Чэнду, Китай
• 1985–2010: JT-60, в Нака, Префектура Ибараки, Япония; (В 2015–2018 годах модернизируется до модели Super, Advanced)
• 1987–1999: Токамак Варенн; Варенн, Канада; управляется Hydro-Québec и используется исследователями из Institut de recherche en électricité du Québec (IREQ) и Institut national de la recherche scientifique (INRS)
• 1988–2005: Т-15, в Курчатовский институт, Москва, Россия (бывший Советский Союз); 10 МВт
• 1991–1998: НАЧНИТЕ в Калхэме, Соединенное Королевство
• 1990-е – 2001: КОМПАС, в Калхэме, Соединенное Королевство
• 1994–2001: Токамак ХЛ-1М, г. Чэнду, Китай
• 1999–2006: Электрический токамак UCLA, в Лос-Анджелес, НАС
• 1999–2014: МАЧТА, в Culham, Объединенное Королевство
• 1992–2016: Алкатор C-Mod,^[103] Массачусетский технологический институт, Кембридж, НАС

Планируется

Строящийся в настоящее время ИТЭР станет самым крупным токамаком.

• HL-2M - 20 декабря 2019 г. Китайская национальная ядерная корпорация а Юго-Западный институт физики объявил о завершении строительства реактора, который, как утверждалось, может достигать температуры 200M ° C. Реактор расположен в Лешань, Китай.^[104]
• ИТЭР, международный проект в Cadarache, Франция; 500 МВт; строительство началось в 2010 году, первая плазменная установка ожидается в 2025 году. Ожидается, что полностью введут в эксплуатацию к 2035 году.^[105]
• ДЕМО; 2000 МВт, непрерывная работа, 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.^{[106][107][108][109]}
• K-DEMO в Южной Корее; 2200–3000 МВт, чистая выработка электроэнергии планируется порядка 500 МВт; строительство намечено на 2037 год.^[110]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

Цитаты

Библиография

• Браамс, К. И Стотт П. (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.CS1 maint: ref = harv (связь)
• 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.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Кадомцев, Б. (1966). «Гидродинамическая устойчивость плазмы». (PDF). Обзоры физики плазмы. С. 153–199.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Кенвард, Майкл (24 мая 1979b). «Fusion Research - температура поднимается». Новый ученый. Vol. 82 нет. 1156. с. 627.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2012). Fusion: энергия Вселенной. Академическая пресса. ISBN  978-0-12-384657-0.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Нисикава, К. и Вакатани, М. (2000). Физика плазмы. Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-65285-4.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Raeder, J .; и другие. (1986). Управляемый ядерный синтез. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-10312-7.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Шафранов Виталий (2001). «К истории исследований управляемого термоядерного синтеза» (PDF). Журнал Российской Академии Наук. 44 (8): 835–865.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Смирнов, Владимир (30 декабря 2009 г.). «Основание токамака в СССР / России 1950–1990» (PDF). Термоядерная реакция. 50 (1): 014003. Bibcode:2010NucFu..50a4003S. CiteSeerX  10.1.1.361.8023. Дои:10.1088/0029-5515/50/1/014003.CS1 maint: ref = harv (связь)
• 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.CS1 maint: ref = harv (связь)

внешняя ссылка

• CCFE - сайт британского центра исследований фьюжн CCFE.
• Международное исследование токамака - различные, относящиеся к ИТЭР
• Наука о плазме - сайт о токамаках от французов CEA.
• Программы Fusion в General Atomics, включая экспериментальный токамак DIII-D National Fusion Facility.
• Программа General Atomics DIII-D
• Семинар по физике термоядерного синтеза и плазмы в MIT OCW
• Неофициальный фан-клуб ИТЭР - поклонники самого большого токамака, который планируется построить в ближайшее время.
• Токамаки всех миров Обширный список текущих и исторических токамаков со всего мира.
• SSTC-1 Обзорное видео концепции маломасштабного токамака.
• SSTC-2 на YouTube Вид в разрезе Видео концепции маломасштабного токамака.
• SSTC-3 на YouTube Fly Through Video концепции токамака малого масштаба.
• LAP Tokamak Development Информация об условиях, необходимых для ядерной реакции в реакторе токамак
• А. П. Фрасс (1973). «Технические проблемы при проектировании регулируемых термоядерных реакторов» (PDF). Национальная лаборатория Окриджа. Получено 30 сентября 2013.
• Статья в газете Observer о Токомаке Ядерный синтез и обещание светлого будущего