Токамак

Токамак

Токамак – установка для магнитного удержания плазмы в форме тора. Данное устройство предназначено для осуществления реакции термоядерного синтеза в квазистационарном режиме. При этом плазма, которая образуется в тороидальной камере, стабилизирует магнитное поле. Энергия, которая выделяется во время этой реакции, должна превышать энергию, затраченную для формирования плазмы и запуска реакции. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, использование электрического тока является главной особенностью токамака. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Этим токамак, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью внешних магнитных катушек. Токамак-реактор на данный момент разрабатывается в рамках международного научного проекта ITER. Всего в мире было построено около 300 токамаков.

История возникновения

Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и даже конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком О.А. Лаврентьевым в работе середины 1950-го года. В настоящее время токамак считается самым перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии обволакивают плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии остаются незамкнутыми, при этом они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя так называемые «магнитные поверхности» в форме тора. Следует отметить, что наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создается за счёт увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом токамаке ограничено.

Устройство и принцип работы

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, намотанными на неё катушками для создания магнитного поля тороидальной формы. Для этого из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью трития и дейтерия. Затем при помощи индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор токамака представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором сама камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле провоцирует протекание тока и зажигание плазмы в камере.

Наиболее известные токамаки в СССР и России:

• Т-3 — первый функциональный аппарат.
• Т-4 — увеличенный вариант Т-3
• Т-7 — уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом с проводниками из сплава (интерметаллида) ниобий-олово, охлаждаемого жидким гелием. С помощью Т-7 была подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики.
• Т-10 и PLT — следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти одинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — в 200 раз.
• Т-15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле индукцией 3,6 Тл.