Токамак ( / ˈt oʊ k ə m æ k / ; русский : токамак ) — устройство, которое использует мощное магнитное поле для удержания плазмы в форме тора . [1] Токамак — один из нескольких типов устройств магнитного удержания , разрабатываемых для производства энергии управляемого термоядерного синтеза . По состоянию на 2016 год это был ведущий кандидат на роль практического термоядерного реактора . [2] Слово «токамак» происходит от русской аббревиатуры, означающей « роидальная камера с магнитными маслами » . [обновлять]
Методы извлечения энергии из токамака включают передачу тепла , прямое преобразование энергии и магнитогидродинамическое преобразование.
Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза в промышленных целях и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком Олегом Лаврентьевым в статье середины 1950-х годов. [3] В 1951 году Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили модифицировать схему, предложив теоретическую основу термоядерного реактора, в котором плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем. В то же время та же идея была предложена неизвестными американскими учёными, но «забыта» до 1970-х годов. [4]
Первый токамак был построен в 1954 году [5] и долгое время существовал только в СССР. И только после 1968 года, когда электронная температура плазмы 1 кэВ была достигнута на токамаке Т-3, построенном в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова под руководством академика Л.А. Арцимовича, [6] [7] [8] и Британские учёные из лаборатории Центра термоядерной энергии в Калхэме (Николь Пикок и др.) со своим оборудованием приехали в СССР, [9] провели измерения на Т-3 и подтвердили этот факт, [10] [11] что сначала они отказывались верить, что в мире начался настоящий токамак-бум. Было продемонстрировано, что устойчивое равновесие плазмы требует линий магнитного поля , которые обвивают тор по спирали . Такие устройства, как z-пинч и стелларатор , пытались это сделать, но продемонстрировали серьезную нестабильность. Именно развитие концепции, ныне известной как коэффициент безопасности (обозначенный q в математической записи), послужило руководством для разработки токамака; расположив реактор так, чтобы этот критический коэффициент q всегда был больше 1, токамаки сильно подавляли нестабильность, от которой страдали более ранние конструкции.
К середине 1960-х годов конструкции токамаков начали показывать значительно улучшенные характеристики. Первоначальные результаты были опубликованы в 1965 году, но были проигнорированы; Лайман Спитцер сразу же отверг их, отметив потенциальные проблемы в их системе измерения температуры. Второй набор результатов был опубликован в 1968 году, на этот раз утверждая, что производительность намного превосходит любую другую машину. Когда и они были встречены скептически, Советы пригласили делегацию из Соединенного Королевства провести собственные измерения. Они подтвердили советские результаты, а их публикация в 1969 году привела к резкому срыву строительства токамаков.
К середине 1970-х годов по всему миру использовались десятки токамаков. К концу 1970-х годов эти машины достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного синтеза, хотя и не одновременно и не в одном реакторе. Теперь , когда цель достижения безубыточности ( коэффициент прироста энергии термоядерного синтеза равен 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 термоядерный реактор Токамак (TFTR), имели четкую цель достижения безубыточности.
Вместо этого эти машины продемонстрировали новые проблемы, ограничивавшие их производительность. Для решения этих проблем потребуется гораздо более крупная и дорогая машина, превосходящая возможности какой-либо одной страны. После первоначального соглашения между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым в ноябре 1985 года возник Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), который остается основным международным проектом по разработке 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 2024 год [обновлять]JET остается рекордсменом по мощности термоядерного синтеза с выходной энергией 69 МДж за 5-секундный период. [12]
В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для реализации управляемого термоядерного синтеза. [13]
Слово токамак является транслитерацией русского слова токамак , аббревиатуры:
или
Термин «токамак» был придуман в 1957 году. [15] Термин «токамак» был придуман в 1957 году Игорем Головиным , учеником академика Игоря Курчатова . Первоначально оно звучало как «токамаг» («токамаг») — аббревиатура слов « то роидальная камера магнитная» (« то роидальная ка мера маг нитная»), но Натан Явлинский , автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» с «-мак» для благозвучия. [16] Позднее это название было заимствовано многими языками.
В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми достигли термоядерного синтеза на Земле, используя ускоритель частиц для стрельбы ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий или другие атомы. [17] Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза и определить, что реакция дейтерий-дейтерий протекает при более низкой энергии, чем другие реакции, достигая максимума около 100 000 электронвольт (100 кэВ). [18] [а]
Термоядерный синтез на основе ускорителей непрактичен, поскольку поперечное сечение реактора крошечное; большая часть частиц в ускорителе будет рассеиваться от топлива, а не сливаться с ним. Это рассеяние приводит к тому, что частицы теряют энергию до такой степени, что они больше не могут подвергаться синтезу. Таким образом, энергия, вложенная в эти частицы, теряется, и легко продемонстрировать, что это гораздо больше энергии, чем могут высвободить результирующие реакции синтеза. [20]
Чтобы поддерживать термоядерный синтез и производить чистую энергию, большая часть топлива должна быть нагрета до высоких температур, чтобы его атомы постоянно сталкивались на высокой скорости; это дает начало названию термоядерного из-за высоких температур, необходимых для его реализации. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что реакция будет самоподдерживающейся при температуре около 50 000 000 К; при этой температуре скорость выделения энергии в результате реакций достаточно высока, чтобы окружающее топливо нагревалось достаточно быстро, чтобы поддерживать температуру, предотвращая потери в окружающую среду, продолжая реакцию. [20]
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 тогда еще гипотетической водородной бомбы . Однако уже были некоторые мысли об устройстве управляемого термоядерного синтеза, и Джеймс Л. Так и Станислав Улам попытались сделать это с использованием кумулятивных зарядов , приводящих в движение металлическую фольгу, наполненную дейтерием, но безуспешно. [21]
Первые попытки создать практическую термоядерную машину были предприняты в Соединенном Королевстве , где Джордж Пейджет Томсон выбрал пинч-эффект в качестве многообещающего метода в 1945 году. После нескольких неудачных попыток получить финансирование он сдался и попросил двух аспирантов Стэнли (Стэн) У. Казинс и Алан Альфред Уэр (1924–2010 [22] ), чтобы построить устройство из излишков радиолокационного оборудования. Он был успешно запущен в 1948 году, но не показал явных доказательств термоядерного синтеза и не смог заинтересовать Исследовательский институт атомной энергии . [23]
В 1950 году Олег Лаврентьев , тогда сержант Красной Армии , дислоцированный на Сахалине , написал письмо в ЦК КПСС . В письме излагалась идея использования атомной бомбы для зажигания термоядерного топлива, а затем описывалась система, которая использует электростатические поля для удержания горячей плазмы в устойчивом состоянии для производства энергии. [24] [25] [б]
Письмо было отправлено Андрею Сахарову для комментариев. Сахаров отметил, что «автор формулирует очень важную и не обязательно безнадежную задачу», и обнаружил, что его главная проблема в устройстве заключалась в том, что плазма попадет на электродные провода, и что «широкие ячейки и тонкая токоведущая часть, которая будет иметь отражать почти все падающие ядра обратно в реактор. По всей вероятности, это требование несовместимо с механической прочностью устройства». [24]
О важности, придаваемой письму Лаврентьева, можно судить по скорости, с которой оно было обработано; письмо было получено в ЦК 29 июля, Сахаров отправил свой отзыв 18 августа, к октябрю Сахаров и Игорь Тамм завершили первое детальное исследование термоядерного реактора и в январе запросили финансирование на его строительство. 1951. [26]
При нагревании до температуры термоядерного синтеза электроны в атомах диссоциируют, в результате чего образуется жидкость ядер и электронов, известная как плазма . В отличие от электрически нейтральных атомов, плазма электропроводна и, следовательно, ею можно манипулировать с помощью электрических или магнитных полей. [27]
Обеспокоенность Сахарова по поводу электродов побудила его рассмотреть возможность использования магнитного ограничения вместо электростатического. В случае магнитного поля частицы будут вращаться вокруг силовых линий . [27] Поскольку частицы движутся с высокой скоростью, их траектория выглядит как спираль. Если расположить магнитное поле так, чтобы силовые линии были параллельны и близко друг к другу, частицы, вращающиеся вокруг соседних линий, могут столкнуться и слиться. [28]
Такое поле можно создать в соленоиде — цилиндре, окруженном снаружи магнитами. Комбинированные поля магнитов создают набор параллельных магнитных линий, проходящих по длине цилиндра. Такое расположение не позволяет частицам перемещаться вбок к стенке цилиндра, но не препятствует их выходу за край. Очевидным решением этой проблемы является согнуть цилиндр в форме пончика или тора, чтобы линии образовывали серию непрерывных колец. В таком расположении частицы вращаются бесконечно. [28]
Сахаров обсудил 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 . [28] Однако это первоначальное предложение игнорировало фундаментальную проблему; при расположении вдоль прямого соленоида внешние магниты располагаются на равном расстоянии друг от друга, но при изгибе в тор они располагаются ближе друг к другу внутри кольца, чем снаружи. Это приводит к возникновению неравномерных сил, которые заставляют частицы отклоняться от своих магнитных линий. [29] [30]
Во время посещения Лаборатории измерительных приборов Академии наук СССР (ЛИПАН), советского ядерного исследовательского центра, Сахаров предложил два возможных решения этой проблемы. Один из них заключался в подвешивании токоведущего кольца в центре тора. Ток в кольце будет создавать магнитное поле, которое будет смешиваться с полем магнитов снаружи. Результирующее поле будет закручено в спираль, так что любая данная частица будет неоднократно оказываться то снаружи, то внутри тора. Дрейфы, вызванные неравномерностью полей, направлены в противоположных направлениях внутри и снаружи, поэтому в ходе нескольких витков вокруг длинной оси тора противоположные дрейфы будут компенсироваться. В качестве альтернативы он предложил использовать внешний магнит для создания тока в самой плазме вместо отдельного металлического кольца, что имело бы тот же эффект. [29]
В январе 1951 года Курчатов организовал встречу в ЛИПАН для рассмотрения концепций Сахарова. Они нашли широкий интерес и поддержку, и в феврале доклад по этой теме был отправлен Лаврентию Берии , курировавшему атомные проекты в СССР. Некоторое время ничего не было слышно. [29]
25 марта 1951 года президент Аргентины Хуан Перон объявил, что бывшему немецкому учёному Рональду Рихтеру удалось осуществить термоядерный синтез в лабораторном масштабе в рамках того, что сейчас известно как проект Уэмул . Ученые всего мира были воодушевлены этим заявлением, но вскоре пришли к выводу, что это неправда; простые расчеты показали, что его экспериментальная установка не могла производить достаточно энергии для нагрева термоядерного топлива до необходимых температур. [31]
Несмотря на то, что исследователи-ядерщики отвергли эту идею, широкое освещение в новостях означало, что политики внезапно осознали и стали восприимчивы к исследованиям в области термоядерного синтеза. В Великобритании Томсон неожиданно получил значительное финансирование. В течение следующих месяцев были запущены в эксплуатацию два проекта, основанных на пинч-системе. [32] В США Лайман Спитцер прочитал историю Хьюмула, понял, что это ложь, и приступил к разработке машины, которая будет работать. [33] В мае он получил 50 000 долларов на начало исследования своей концепции стелларатора . [34] Джим Так ненадолго вернулся в Великобританию и увидел зажимные машины Томсона. Когда он вернулся в Лос-Аламос, он также получил 50 000 долларов непосредственно из бюджета Лос-Аламоса. [35]
Подобные события происходили и в СССР. В середине апреля Дмитрий Ефремов из НИИ электрофизических аппаратов ворвался в кабинет Курчатова с журналом, в котором был рассказ о работах Рихтера, и потребовал объяснить, почему их избили аргентинцы. Курчатов немедленно обратился к Берии с предложением создать отдельную лабораторию термоядерных исследований под руководством Льва Арцимовича . Всего несколько дней спустя, 5 мая, это предложение было подписано Иосифом Сталиным . [29]
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) длиной 2 метра (6 футов 7 дюймов). В предложении предполагалось, что система сможет производить 100 граммов (3,5 унции) трития в день или выделять 10 килограммов (22 фунта) U233 в день. [29]
По мере дальнейшего развития идеи стало понятно, что ток в плазме может создавать достаточно сильное поле, чтобы удерживать плазму, устраняя необходимость во внешних катушках. [36] В этот момент советские исследователи заново изобрели систему зажима, разрабатываемую в Великобритании, [21] хотя они пришли к этой конструкции с совершенно другой отправной точки.
Когда была предложена идея использования пинч-эффекта для удержания, стало очевидным гораздо более простое решение. Вместо большого тороида можно было бы просто индуцировать ток в линейной трубке, что могло бы заставить плазму внутри сжаться в нить. Это имело огромное преимущество; ток в плазме нагрел бы ее за счет обычного резистивного нагрева , но это не нагрело бы плазму до температур термоядерного синтеза. Однако по мере коллапса плазмы адиабатический процесс приведет к резкому повышению температуры, более чем достаточному для термоядерного синтеза. При таком развитии только Головин и Натан Явлинский продолжили рассматривать более статическую тороидальную конструкцию. [36]
4 июля 1952 года группа Николая Филиппова измерила нейтроны , испускаемые машиной линейного пинча. Лев Арцимович потребовал, чтобы они все проверили, прежде чем сделать вывод о том, что термоядерный синтез произошел, и в ходе этих проверок выяснилось, что нейтроны вовсе не были термоядерными. [36] Такая же линейная структура случалась и с исследователями в Великобритании и США, и их машины показывали такое же поведение. Но большая секретность, окружавшая этот тип исследования, означала, что ни одна из групп не знала, что над ним работали и другие, не говоря уже о том, что у них была идентичная проблема. [37]
После долгих исследований было обнаружено, что некоторые из высвободившихся нейтронов возникли в результате нестабильности плазмы. Было два распространенных типа нестабильности: колбаса , которая наблюдалась в основном в линейных машинах, и излом , который чаще всего наблюдался в тороидальных машинах. [37] Группы во всех трех странах начали изучать возникновение этой нестабильности и потенциальные способы ее решения. [38] Важный вклад в эту область внесли Мартин Дэвид Крускал и Мартин Шварцшильд в США, а также Шафранов в СССР. [39]
Одна идея, возникшая в результате этих исследований, стала известна как «стабилизированный пинч». Эта концепция добавляла дополнительные катушки снаружи камеры, которые создавали магнитное поле, которое присутствовало в плазме до пинч-разряда. В большинстве концепций внешне индуцированное поле было относительно слабым, и, поскольку плазма диамагнитна , оно проникало только во внешние области плазмы. [37] Когда произошел пинч-разряд и плазма быстро сжалась, это поле «вмерзло» в образовавшуюся нить, создав сильное поле в ее внешних слоях. В США это было известно как «придание плазме основы». [40]
Сахаров вернулся к своим первоначальным тороидальным концепциям и пришел к несколько иному выводу о том, как стабилизировать плазму. Схема будет такой же, как и в концепции стабилизированного пинч, но роль двух полей будет обратной. Вместо слабых внешне индуцированных магнитных полей, обеспечивающих стабилизацию, и сильного тока пинча, ответственного за удержание, в новой схеме внешнее поле будет гораздо более мощным, чтобы обеспечить большую часть удержания, в то время как ток будет намного меньшим и ответственным за удержание. стабилизирующий эффект. [36]
В 1955 году, когда линейные подходы все еще были нестабильны, в СССР было построено первое тороидальное устройство. TMP представлял собой классическую пинч-машину, похожую на модели в Великобритании и США той же эпохи. Вакуумная камера была изготовлена из керамики, и в спектрах разрядов был обнаружен кремнезем, а это означает, что плазма не удерживалась идеально магнитным полем и не ударялась о стенки камеры. [36] За ними последовали две машины меньшего размера, в которых использовались медные корпуса. [41] Проводящие оболочки были предназначены для стабилизации плазмы, но не оказались полностью успешными ни на одной из машин, которые их пробовали. [42]
Поскольку прогресс явно застопорился, в 1955 году Курчатов созвал Всесоюзную конференцию советских исследователей с конечной целью открыть исследования в области термоядерного синтеза в СССР. [43] В апреле 1956 года Курчатов отправился в Великобританию в рамках широко разрекламированного визита Никиты Хрущева и Николая Булганина . Он предложил выступить с докладом в Исследовательском институте атомной энергии на территории бывшего авиабазы Харвелл , где шокировал хозяев, представив подробный исторический обзор советских усилий по термоядерному синтезу. [44] Он нашел время, чтобы отметить, в частности, нейтроны, наблюдаемые в ранних машинах, и предупредил, что нейтроны не означают термоядерный синтез. [45]
Курчатов не знал, что в дальнем конце бывшей взлетно-посадочной полосы строилась британская стабилизированная машина ZETA . ZETA была, безусловно, самой большой и мощной термоядерной машиной на сегодняшний день. Опираясь на эксперименты по более ранним конструкциям, которые были модифицированы для включения стабилизации, ZETA намеревалась производить низкие уровни реакций синтеза. Очевидно, это был большой успех, и в январе 1958 года они объявили, что термоядерный синтез был достигнут в ZETA на основе выброса нейтронов и измерений температуры плазмы. [46]
Виталий Шафранов и Станислав Брагинский изучили новостные сообщения и попытались разобраться, как это работает. Одной из возможностей, которую они рассматривали, было использование слабых «замороженных» полей, но они отвергли ее, полагая, что поля не прослужат достаточно долго. Затем они пришли к выводу, что ZETA по сути идентична устройствам, которые они изучали, с сильными внешними полями. [44]
К этому времени советские исследователи решили построить тороидальную машину большего размера по образцу, предложенному Сахаровым. В частности, в их конструкции учитывался один важный момент, обнаруженный в работах Крускала и Шафранова; если бы спиральный путь частиц заставлял их циркулировать по окружности плазмы быстрее, чем они вращались по длинной оси тора, кинковая неустойчивость была бы сильно подавлена. [38]
(Для ясности: электрический ток в катушках, наматывающих вокруг тора, создает тороидальное магнитное поле внутри тора; импульсное магнитное поле через отверстие в торе индуцирует осевой ток в торе, который имеет окружающее его полоидальное магнитное поле; может быть также могут быть кольца тока выше и ниже тора, которые создают дополнительное полоидальное магнитное поле. Объединенные магнитные поля образуют спиральную магнитную структуру внутри тора.)
Сегодня эта основная концепция известна как фактор безопасности . Отношение числа оборотов частицы вокруг большой оси по сравнению с малой осью обозначается q , а предел Краскала-Шафранова утверждает, что излом будет подавляться до тех пор, пока q > 1. Этот путь контролируется относительными силами внешне индуцированного магнитного поля по сравнению с полем, создаваемым внутренним током. Чтобы иметь q > 1, внешние магниты должны быть намного мощнее или, альтернативно, необходимо уменьшить внутренний ток. [38]
Следуя этому критерию, началось проектирование нового реактора Т-1, который сегодня известен как первый настоящий токамак. [41] Т-1 использовал как более сильные внешние магнитные поля, так и уменьшенный ток по сравнению со стабилизированными пинч-машинами, такими как ZETA. Успех Т-1 привел к тому, что его признали первым работающим токамаком. [47] [48] [49] [50] За работу над «мощными импульсными разрядами в газе для получения необычайно высоких температур, необходимых для термоядерных процессов», Явлинский был удостоен Ленинской и Сталинской премий в 1958 году. уже готовился проект еще более крупной модели, позже построенной как Т-3. После очевидно успешного объявления ZETA, концепция Явлинского была встречена очень благосклонно. [44] [51]
Подробности о ZETA стали достоянием общественности в серии статей в журнале Nature позднее в январе. К удивлению Шафранова, система действительно использовала концепцию «замороженного» поля. [44] Он оставался настроен скептически, но группа из Института Иоффе в Санкт-Петербурге приступила к планированию создания аналогичной машины, известной как Альфа. Всего несколько месяцев спустя, в мае, команда ZETA опубликовала заявление, в котором говорилось, что им не удалось достичь термоядерного синтеза и что они были введены в заблуждение ошибочными измерениями температуры плазмы. [52]
Т-1 начал работу в конце 1958 года. [53] [c] Он продемонстрировал очень высокие потери энергии из-за радиации. Это было связано с примесями в плазме из-за вакуумной системы, вызывающей выделение газа из материалов контейнера. Чтобы найти решение этой проблемы, было построено еще одно небольшое устройство — Т-2. При этом использовалась внутренняя облицовка из гофрированного металла, которая была обожжена при температуре 550 ° C (1022 ° F) для удаления захваченных газов. [53]
В рамках второй встречи «Атом для мира» в Женеве в сентябре 1958 года советская делегация опубликовала множество документов, посвященных своим исследованиям в области термоядерного синтеза. Среди них был набор первоначальных результатов на их тороидальных машинах, которые на тот момент не показали ничего примечательного. [54]
«Звездой» шоу стала большая модель стелларатора Спитцера, которая сразу привлекла внимание Советов. В отличие от их конструкции, стелларатор создавал необходимые витые пути в плазме, не пропуская через нее ток, используя серию внешних катушек (создающих внутренние магнитные поля), которые могли работать в установившемся режиме, а не в импульсах индукционной системы. который создавал осевой ток. Курчатов начал просить Явлинского изменить конструкцию Т-3 на стелларатор, но они убедили его, что ток выполняет полезную вторую роль в нагревании, чего у стелларатора не было. [54]
На момент шоу у стелларатора была длинная череда мелких проблем, которые только что решались. Их решение показало, что скорость диффузии плазмы была намного выше, чем предсказывала теория. Подобные проблемы по тем или иным причинам наблюдались во всех современных проектах. Стелларатор, различные концепции пинча и машины с магнитными зеркалами как в США, так и в СССР продемонстрировали проблемы, которые ограничивали время их удержания. [53]
С первых исследований управляемого термоядерного синтеза на заднем плане скрывалась проблема. 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 базовую теорию, можно было бы ожидать, что плазма будет диффундировать поперек силовых линий 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 , которая предполагала, что скорость линейна с магнитной силой, а не с ее квадратом. [55]
Если бы формула Бома была верной, не было бы никакой надежды построить термоядерный реактор на основе магнитного удержания. Чтобы удерживать плазму при температурах, необходимых для термоядерного синтеза, магнитное поле должно быть на несколько порядков больше, чем у любого известного магнита. Спитцер приписал разницу между бомовской и классической скоростями диффузии турбулентностью в плазме [56] и полагал, что постоянные поля стелларатора не пострадают от этой проблемы. Различные эксперименты того времени показали, что скорость Бома неприменима и что классическая формула верна. [55]
Но к началу 1960-х годов, когда все различные конструкции источали плазму с огромной скоростью, Спитцер сам пришел к выводу, что масштабирование Бома является неотъемлемым свойством плазмы и что магнитное удержание не будет работать. [53] Вся сфера погрузилась в то, что стало известно как «упадок», [57] период сильного пессимизма. [36]
В отличие от других проектов, экспериментальные токамаки, казалось, развивались хорошо, настолько хорошо, что небольшая теоретическая проблема теперь стала настоящей проблемой. При наличии гравитации в плазме существует небольшой градиент давления, который раньше был достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать, но теперь стал чем-то, с чем пришлось бороться. Это привело к добавлению еще одного набора катушек в 1962 году, который создавал вертикальное магнитное поле, компенсирующее эти эффекты. Это имело успех, и к середине 1960-х годов машины начали проявлять признаки того, что они превысили предел Бома . [58]
На Второй конференции Международного агентства по атомной энергии по термоядерному синтезу в 1965 году в недавно открытом в Великобритании Центре термоядерной энергии Калхэма Арцимович сообщил, что их системы превышают 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. [58]
Следующая крупная международная встреча по синтезу состоялась в августе 1968 года в Новосибирске . К этому времени были завершены еще две конструкции токамака: ТМ-2 в 1965 году и Т-4 в 1968 году. Результаты Т-3 продолжали улучшаться, и аналогичные результаты были получены в ходе ранних испытаний новых реакторов. На встрече советская делегация объявила, что Т-3 производит температуру электронов 1000 эВ (что эквивалентно 10 миллионам градусов Цельсия) и что время удержания как минимум в 50 раз превышает предел Бома. [59]
Эти результаты были как минимум в 10 раз выше, чем у любой другой машины. Если это правда, то они представляли собой огромный скачок для термоядерного сообщества. Спитцер остался настроен скептически, отметив, что измерения температуры по-прежнему основаны 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 объемную температуру. Советы в ответ выдвинули несколько аргументов, предполагающих, что температура, которую они измеряли, была максвелловской , и дебаты разгорелись. [60]
После ZETA британские команды начали разработку новых инструментов диагностики плазмы, обеспечивающих более точные измерения. Среди них было использование лазера для прямого измерения температуры объемных электронов с помощью томсоновского рассеяния . Эта техника была хорошо известна и уважаема в термоядерном сообществе; [61] 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 было разрешено посетить Курчатовский институт, сердце советских усилий по созданию ядерной бомбы. [62]
Британская команда, получившая прозвище «Калхэмская пятерка», [63] прибыла в конце 1968 года. После длительного процесса установки и калибровки команда измерила температуры в течение многих экспериментальных запусков. Первоначальные результаты были доступны к августу 1969 года; Советы были правы, их результаты были точными. Команда передала результаты домой Калхэму, который затем передал их конфиденциальным телефонным звонком в Вашингтон. [64] Окончательные результаты были опубликованы в журнале Nature в ноябре 1969 года. [65] Результаты этого объявления были описаны как «настоящая давка» в строительстве токамаков по всему миру. [66]
Осталась одна серьезная проблема. Поскольку электрический ток в плазме был намного ниже и производил гораздо меньшее сжатие, чем в пинч-машине, это означало, что температура плазмы была ограничена скоростью резистивного нагрева тока. Впервые предложенный в 1950 году, резистивный метод Спитцера утверждал, что электрическое сопротивление плазмы уменьшается с повышением температуры, [67] это означает, что скорость нагрева плазмы будет замедляться по мере совершенствования устройств и повышения температуры. Расчеты показали, что результирующие максимальные температуры, оставаясь в пределах q > 1, будут ограничены низкими миллионами градусов. Арцимович сразу же указал на это в Новосибирске, заявив, что будущий прогресс потребует разработки новых методов отопления. [68]
Одним из людей, присутствовавших на встрече в Новосибирске в 1968 году, был Амаса Стоун Бишоп , один из лидеров американской термоядерной программы. Одним из немногих других устройств, продемонстрировавших в то время явные доказательства превышения предела Бома, была концепция мультиполя. И Лоуренс Ливермор , и Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), где находится стелларатор Спитцера, создавали вариации конструкции мультиполя. Несмотря на умеренный успех сам по себе, Т-3 значительно превосходил любую машину. Бишоп был обеспокоен тем, что мультиполи были лишними, и считал, что США следует рассмотреть возможность создания собственного токамака. [69]
Когда он поднял этот вопрос на встрече в декабре 1968 года, директора лабораторий отказались его рассматривать. Мелвин Б. Готлиб из Принстона был раздражен и спросил: «Как вы думаете, сможет ли этот комитет перехитрить ученых?» [70] Поскольку крупные лаборатории потребовали контролировать свои собственные исследования, одна лаборатория оказалась в стороне. Ок-Ридж первоначально вошел в область термоядерного синтеза с исследованиями топливных систем реакторов, но затем развил собственную зеркальную программу. К середине 1960-х годов в их проектах DCX иссякли 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. [71]
После серьезных внутренних дебатов в начале 1969 года Герман Постма сформировал небольшую группу для рассмотрения токамака. [71] Они придумали новый дизайн, позже названный Ормак, который имел несколько новых особенностей. Главным среди них был способ создания внешнего поля в одном большом медном блоке, питаемом энергией от большого трансформатора под тором. Это отличалось от традиционных конструкций, в которых снаружи использовались обмотки электрического тока. Они считали, что единый блок создаст гораздо более однородное поле. Это также будет иметь то преимущество, что позволит тору иметь меньший основной радиус, без необходимости прокладывать кабели через кольцевое отверстие, что приведет к более низкому соотношению сторон , что, как уже предполагали Советы, даст лучшие результаты. [72]
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 [68] , а затем разрешил длительные сессии вопросов и ответов. По мере того, как это продолжалось, сам Массачусетский технологический институт заинтересовался токамаком, хотя ранее по ряду причин оставался вне области термоядерного синтеза. Бруно Коппи в то время работал в Массачусетском технологическом институте и, следуя тем же концепциям, что и команда Postma, придумал свою собственную концепцию Alcator с низким соотношением сторон . Вместо тороидального трансформатора Ормака компания Alcator использовала традиционные катушки магнитного поля кольцеобразной формы, но требовала, чтобы они были намного меньше существующих конструкций. Магнитная лаборатория Фрэнсиса Биттера Массачусетского технологического института была мировым лидером в разработке магнитов, и они были уверены, что смогут их создать. [68]
В 1969 году на поле деятельности вышли еще две группы. В General Atomics Тихиро Окава занимался разработкой многополюсных реакторов и представил концепцию, основанную на этих идеях. Это был токамак с некруглым поперечным сечением плазмы; та же самая математика, которая предполагала, что более низкое соотношение сторон улучшит производительность, также предполагала, что плазма C- или D-образной формы будет делать то же самое. Он назвал новый дизайн Doublet. [73] Тем временем группа из Техасского университета в Остине предложила относительно простой токамак для исследования нагрева плазмы за счет намеренно вызванной турбулентности — Техасский турбулентный токамак. [74]
Когда члены Руководящего комитета Комиссии по атомной энергии по термоядерному синтезу снова встретились в июне 1969 года, «из наших ушей вылетели предложения по токамаку». [74] Единственной крупной лабораторией, работавшей над тороидальной конструкцией и не предлагавшей токамак, был Принстон, который отказался рассматривать его, несмотря на то, что их стелларатор модели C был почти идеален для такого преобразования. Они продолжали предлагать длинный список причин, по которым Модель C не следует переоборудовать. Когда эти данные были поставлены под сомнение, разгорелись яростные дебаты о том, достоверны ли советские результаты. [74]
Наблюдая за происходящими дебатами, Готлиб изменил свое мнение. Не было никакого смысла развивать токамак, если бы советские измерения электронной температуры не были точными, поэтому он сформулировал план, как доказать или опровергнуть их результаты. Плавая в бассейне во время обеденного перерыва, он рассказал Гарольду Фюрту свой план, на что Фюрт ответил: «Ну, может, ты и прав». [64] После обеда различные команды представили свои проекты, после чего Готлиб представил свою идею «стелларатор-токамак» на основе модели C. [64]
Постоянный комитет отметил, что эта система может быть завершена за шесть месяцев, а Ормаку понадобится год. [64] Лишь спустя короткое время были обнародованы конфиденциальные результаты «Калхэмской пятерки». Когда они встретились снова в октябре, Постоянный комитет выделил финансирование для всех этих предложений. Новая конфигурация модели C, вскоре получившая название «Симметричный токамак», предназначалась просто для проверки советских результатов, в то время как другие должны были исследовать способы выйти далеко за рамки Т-3. [75]
Эксперименты на симметричном токамаке начались в мае 1970 года и к началу следующего года подтвердили советские результаты, а затем и превзошли их. Стелларатор был заброшен, и PPPL сосредоточила свой значительный опыт на проблеме нагрева плазмы. Две концепции казались многообещающими. PPPL предложил использовать магнитное сжатие, метод, подобный пинчу, для сжатия теплой плазмы с целью повышения ее температуры, но обеспечивающий это сжатие с помощью магнитов, а не тока. [76] Ок-Ридж предложил инжекцию нейтрального луча — ускорители малых частиц, которые будут стрелять атомами топлива через окружающее магнитное поле, где они будут сталкиваться с плазмой и нагревать ее. [77]
Адиабатический тороидальный компрессор (ATC) PPPL начал работу в мае 1972 года, а вскоре после этого появился Ормак с нейтральным лучом. Оба продемонстрировали серьезные проблемы, но PPPL обошла Ок-Ридж, установив лучевые форсунки на УВД, и предоставила явные доказательства успешного обогрева в 1973 году. Этот успех «подхватил» Ок-Ридж, который впал в немилость в Вашингтонском руководящем комитете. [78]
К этому времени уже строилась гораздо более крупная конструкция, основанная на лучевом нагреве, — Большой Тор Принстона , или PLT. PLT был разработан специально для того, чтобы «дать четкое представление о том, может ли концепция токамака плюс вспомогательный нагрев стать основой для будущего термоядерного реактора». [79] PLT имел огромный успех, постоянно повышая свою внутреннюю температуру, пока в 1978 году она не достигла 60 миллионов Цельсия (8000 эВ, в восемь раз больше рекорда Т-3). Это ключевой момент в разработке токамака; Реакции синтеза становятся самоподдерживающимися при температурах от 50 до 100 миллионов Цельсия. PLT продемонстрировал, что это технически достижимо. [79]
Эти эксперименты, особенно PLT, вывели США в лидеры в исследованиях токамаков. Во многом это связано с бюджетом; токамак стоил около 500 000 долларов, а годовой бюджет США на термоядерный синтез в то время составлял около 25 миллионов долларов. [59] Они могли позволить себе изучить все многообещающие методы нагрева и в конечном итоге обнаружили, что нейтральные лучи являются одними из наиболее эффективных. [80]
В этот период Роберт Хирш возглавил Управление по развитию термоядерного синтеза в Комиссии по атомной энергии США . Хирш считал, что программу невозможно поддерживать на нынешнем уровне финансирования, не продемонстрировав ощутимых результатов. Он начал переформулировать всю программу. То, что когда-то было лабораторией, в основном научными исследованиями, теперь стало попыткой Вашингтона построить работающий энергетический реактор. [80] Этому способствовал нефтяной кризис 1973 года , который привел к значительному увеличению исследований в области альтернативных энергетических систем. [81]
К концу 1970-х годов токамаки достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного реактора; в 1978 году PLT продемонстрировал температуру воспламенения, в следующем году советский Т-7 впервые успешно применил сверхпроводящие магниты, [82] Дублет оказался успешным и привел к тому, что почти во всех будущих конструкциях был принят этот подход «формованной плазмы». Казалось, что все, что было необходимо для создания энергетического реактора, — это объединить все эти конструктивные концепции в одну машину, способную работать с радиоактивным тритием в топливной смеси. [83]
Гонка продолжалась. В 1970-е годы по всему миру было профинансировано четыре крупных проекта второго поколения. Советы продолжили линию разработки Т-15, [82] в то время как общеевропейские усилия разрабатывали Объединенный европейский тор (JET), а Япония начала разработку JT-60 (первоначально известного как «Плазменный испытательный центр безубыточности»). . В США Хирш начал разрабатывать планы аналогичной конструкции, пропуская предложения по другой промежуточной конструкции непосредственно к схеме сжигания трития. Это появился как термоядерный реактор Токамак (TFTR), управляемый непосредственно из Вашингтона и не связанный с какой-либо конкретной лабораторией. [83] Первоначально отдавая предпочтение Ок-Риджу в качестве принимающей стороны, Хирш перенес его в PPPL после того, как другие убедили его, что они будут работать над этим усерднее, потому что им есть что терять. [84]
Ажиотаж был настолько велик, что примерно в это же время началось несколько коммерческих предприятий по производству коммерческих токамаков. Самый известный среди них, в 1978 году, Боб Гуччионе , издатель журнала Penthouse Magazine , встретил Роберта Бассарда и стал крупнейшим и наиболее преданным частным инвестором в мире в области термоядерных технологий, в конечном итоге вложив 20 миллионов долларов из собственных денег в компактный токамак Бассарда. Финансирование со стороны Riggs Bank привело к тому, что это усилие стало известно как Риггатрон . [85]
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 взял на себя лидерство в критических экспериментах, перейдя от испытательных газов к дейтериям 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. Кроме того, как в TFTR, так и в JET наблюдались опасные «экскурсии» удара плазмы 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 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 увеличит размер и сложность машин. Последующий проект, включающий эти изменения, был бы огромным и намного более дорогим, чем JET или TFTR. В области термоядерного синтеза наступил новый период пессимизма.
.jpg/1280px-U.S._Department_of_Energy_-_Science_-_425_003_001_(9786811206).jpg)
В то же время, когда эти эксперименты продемонстрировали проблемы, большая часть стимула для массового финансирования США исчезла; В 1986 году Рональд Рейган заявил, что энергетический кризис 1970-х годов закончился, [86] и в начале 1980-х годов финансирование передовых источников энергии было сокращено.
Некоторые мысли о проекте международного реактора велись с июня 1973 года под названием INTOR, что означает «Международный реактор Токамак». Первоначально это было начато соглашением между Ричардом Никсоном и Леонидом Брежневым , но продвигалось медленно с момента первой настоящей встречи 23 ноября 1978 года .
Во время Женевского саммита в ноябре 1985 года Рейган поднял этот вопрос перед Михаилом Горбачевым и предложил реформировать организацию. "...Лидеры двух стран подчеркнули потенциальную важность работ, направленных на использование управляемого термоядерного синтеза в мирных целях и в связи с этим высказались за максимально широкое развитие международного сотрудничества в получении этого, по сути, неисчерпаемого источника энергии, для польза для всего человечества». [88]
В следующем году было подписано соглашение между США, Советским Союзом, Европейским Союзом и Японией о создании Международной организации по термоядерным экспериментальным реакторам . [89] [90]
Проектные работы начались в 1988 году, и с тех пор реактор ИТЭР стал основным проектом токамака во всем мире.
Давно было известно, что более сильные магниты поля обеспечат высокий выигрыш в энергии в токамаке гораздо меньшего размера, при этом такие концепции, как FIRE, IGNITOR и токамак с компактным зажиганием (CIT), были предложены несколько десятилетий назад.
Коммерческая доступность высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 2010-х годах открыла многообещающий путь к созданию магнитов с более сильным полем, необходимых для достижения уровней выигрыша энергии, подобных ИТЭР, в компактном устройстве. Чтобы использовать эту новую технологию, Центр науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института (PSFC) и дочернее предприятие Commonwealth Fusion Systems (CFS) Массачусетского технологического института в 2021 году успешно создали и протестировали катушку модели тороидального поля (TFMC), чтобы продемонстрировать необходимое магнитное поле в 20 Тесла, необходимое для создания SPARC , устройство, предназначенное для достижения такого же эффекта термоядерного синтеза , как ИТЭР, но с объемом плазмы всего ~ 1/40 объема плазмы ИТЭР.
Британский стартап Tokamak Energy также планирует построить токамак с чистой энергией с использованием магнитов HTS, но со сферическим вариантом токамака.
Совместный реактор ЕС и Японии JT-60SA получил первую плазму 23 октября 2023 года, после двухлетней задержки, вызванной коротким замыканием в электрической цепи. [91] [92]
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 быстро остынет. В термоядерных устройствах с магнитным удержанием используется тот факт, что заряженные частицы в магнитном поле испытывают действие силы Лоренца и следуют по винтовым траекториям вдоль силовых линий. [93]
Простейшей системой магнитного удержания является соленоид . Плазма в соленоиде вращается по спирали вокруг линий поля, проходящих через его центр, предотвращая движение в стороны. Однако это не препятствует движению к концам. Очевидным решением является 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 ударяться о стенки тора. [30]
Решение состоит в том, чтобы придать линиям такую форму, чтобы они не просто огибали тор, а извивались, как полосы на парикмахерской палке или леденце . В таком поле любая отдельная частица окажется на внешнем крае, где она будет дрейфовать в одну сторону, скажем вверх, а затем, следуя своей магнитной линии вокруг тора, она окажется на внутреннем крае, где она будет дрейфовать в другую сторону. способ. Эта отмена не идеальна, но расчеты показали, что ее достаточно, чтобы топливо оставалось в реакторе в течение полезного времени. [93]
Двумя первыми решениями по созданию конструкции с требуемым поворотом были стелларатор , который делал это с помощью механического устройства, скручивающего весь тор, и конструкция z-пинча , пропускающая электрический ток через плазму для создания второго магнитного поля к тору. тот же конец. Оба продемонстрировали улучшенное время удержания по сравнению с простым тором, но оба также продемонстрировали множество эффектов, которые привели к потере плазмы из реакторов с неустойчивой скоростью.
Токамак по своей физической конструкции по сути идентичен концепции z-пинча. [94] Его ключевым нововведением было осознание того, что нестабильности, которые заставляли пинч терять плазму, можно контролировать. Проблема заключалась в том, насколько «извилистыми» были поля; поля, которые заставляли частицы проходить внутрь и наружу более одного раза за виток вокруг тора с длинной осью, были гораздо более стабильными, чем устройства с меньшим скручиванием. Это соотношение поворотов к орбитам стало известно как коэффициент безопасности , обозначаемый q . Предыдущие устройства работали при q около 1 ⁄ 3 , тогда как токамак работает при q ≫ 1 . Это повышает стабильность на порядки.
При более внимательном рассмотрении проблемы возникает необходимость в вертикальной (параллельной оси вращения) составляющей магнитного поля. Сила Лоренца тороидального тока плазмы в вертикальном поле обеспечивает внутреннюю силу, которая удерживает плазменный тор в равновесии.
Хотя токамак решает проблему стабильности плазмы в грубом смысле, плазма также подвержена ряду динамических нестабильностей. Одна из них, кинк-неустойчивость , сильно подавляется компоновкой токамака, что является побочным эффектом высоких коэффициентов безопасности токамаков. Отсутствие изломов позволило токамаку работать при гораздо более высоких температурах, чем предыдущие машины, и это позволило проявиться множеству новых явлений.
Одна из них, банановые орбиты , вызвана широким диапазоном энергий частиц в токамаке: большая часть топлива горячая, но определенный процент намного холоднее. Из-за сильного закручивания полей в токамаке частицы, следуя своим силовым линиям, быстро движутся к внутреннему краю, а затем к внешнему. По мере движения внутрь они подвергаются усилению магнитных полей из-за меньшего радиуса, концентрирующего поле. Частицы низкой энергии в топливе отразятся от этого усиливающегося поля и начнут двигаться назад через топливо, сталкиваясь с ядрами более высокой энергии и рассеивая их из плазмы. Этот процесс приводит к потере топлива из реактора, хотя этот процесс достаточно медленный, поэтому практический реактор все еще находится в пределах досягаемости. [95]
Одной из первых целей любого устройства управляемого термоядерного синтеза является достижение точки безубыточности , точки, в которой энергия, выделяемая в результате реакций термоядерного синтеза, равна количеству энергии, используемой для поддержания реакции. Отношение выходной энергии к входной энергии обозначается Q , а безубыточность соответствует Q , равному 1. Чтобы реактор генерировал чистую энергию, необходимо значение Q больше единицы, но по практическим соображениям желательно, чтобы оно было намного выше. .
Как только достигается безубыточность, дальнейшие улучшения условий заключения обычно приводят к быстрому увеличению Q. Это связано с тем, что часть энергии, выделяемой в результате реакций синтеза наиболее распространенного термоядерного топлива, смеси дейтерия и трития в соотношении 50/50 , находится в форме альфа-частиц . Они могут сталкиваться с топливными ядрами в плазме и нагревать ее, уменьшая количество необходимого внешнего тепла. В какой-то момент, известный как воспламенение , этого внутреннего самонагрева достаточно, чтобы реакция продолжалась без внешнего нагрева, что соответствует бесконечному Q.
В случае токамака этот процесс саморазогрева максимизируется, если альфа-частицы остаются в топливе достаточно долго, чтобы гарантировать их столкновение с топливом. Поскольку альфы электрически заряжены, они подвержены тем же полям, которые удерживают топливную плазму. Количество времени, которое они проводят в топливе, можно максимизировать, гарантируя, что их орбита в поле останется внутри плазмы. Можно показать, что это происходит при силе электрического тока в плазме около 3 МА. [96]
В начале 1970-х годов в Принстоне в ходе исследований по использованию мощных сверхпроводящих магнитов в будущих конструкциях токамаков изучалась конструкция магнитов. Они заметили, что расположение основных тороидальных катушек означало, что между магнитами на внутренней стороне кривизны, где они были ближе друг к другу, было значительно большее напряжение. Принимая это во внимание, они отметили, что силы натяжения внутри магнитов были бы выровнены, если бы они имели форму буквы D, а не буквы О. Это стало известно как «принстонская D-катушка». [97]
Подобная договоренность рассматривалась не впервые, хотя и по совершенно другим причинам. Коэффициент безопасности варьируется по оси машины; по чисто геометрическим причинам он всегда меньше на внутреннем краю плазмы, ближайшем к центру машины, потому что там длинная ось короче. Это означает, что машина со средним q = 2 в определенных областях все же может быть меньше 1. В 1970-х годах было высказано предположение, что один из способов противодействовать этому и создать конструкцию с более высоким средним значением q — это сформировать магнитные поля так, чтобы плазма заполняла только внешнюю половину тора, имеющего форму D или C, если смотреть на него. с торца вместо обычного круглого сечения.
Одной из первых машин, в которой использовалась плазма D-образной формы, была машина JET , проектирование которой началось в 1973 году. Это решение было принято как по теоретическим, так и по практическим соображениям; поскольку сила больше на внутреннем крае тора, существует большая результирующая сила, сжимающая внутрь 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. [98] Код, исследующий общий макет, заметил, что некруглая форма медленно смещалась по вертикали, что привело к добавлению активной системы обратной связи, удерживающей ее в центре. [99] После того, как JET выбрала эту компоновку, команда General Atomics Doublet III перепроектировала эту машину в D-IIID с D-образным поперечным сечением, и она также была выбрана для японской конструкции JT-60 . С тех пор эта планировка стала в значительной степени универсальной.
Одна из проблем, наблюдаемых во всех термоядерных реакторах, заключается в том, что присутствие более тяжелых элементов приводит к увеличению потерь энергии, охлаждая плазму. Во время самого раннего развития термоядерной энергетики было найдено решение этой проблемы: дивертор , по сути, большой масс-спектрометр , который вызывал выбрасывание более тяжелых элементов из реактора. Первоначально это было частью конструкции стелларатора , которую легко интегрировать в магнитные обмотки. Однако создание дивертора для токамака оказалось очень сложной конструкторской задачей.
Другая проблема, наблюдаемая во всех термоядерных конструкциях, — это тепловая нагрузка, которую плазма оказывает на стенку удерживающей камеры. Есть материалы, способные выдержать такую нагрузку, но они, как правило, представляют собой нежелательные и дорогие тяжелые металлы . Когда такие материалы распыляются при столкновениях с горячими ионами, их атомы смешиваются с топливом и быстро охлаждают его. Решением, используемым в большинстве конструкций токамаков, является ограничитель — небольшое кольцо из легкого металла, которое выступает в камеру так, чтобы плазма попадала в нее, прежде чем удариться о стенки. Это разрушило ограничитель и привело к тому, что его атомы смешались с топливом, но эти более легкие материалы вызывают меньшие разрушения, чем материалы стенок.
Когда реакторы перешли на D-образную плазму, быстро было замечено, что поток выходящих частиц плазмы также может иметь определенную форму. Со временем это привело к идее использования полей для создания внутреннего дивертора, который выбрасывает более тяжелые элементы из топлива, обычно в нижнюю часть реактора. Там в качестве ограничителя используется жидкий металлический литий ; частицы ударяются о него и быстро охлаждаются, оставаясь в литии. Этот внутренний бассейн гораздо легче охладить из-за его расположения, и хотя некоторые атомы лития выбрасываются в плазму, его очень малая масса делает его гораздо меньшей проблемой, чем даже самые легкие металлы, использовавшиеся ранее.
Когда машины начали исследовать эту плазму новой формы , они заметили, что определенные расположения полей и параметров плазмы иногда переходят в так называемый режим высокого ограничения , или H-режим, который стабильно работает при более высоких температурах и давлениях. Работа в H-режиме, который также можно наблюдать в стеллараторах, в настоящее время является основной целью конструкции токамака.
Наконец, было отмечено, что когда плазма имеет неоднородную плотность, это приводит к возникновению внутренних электрических токов. Это известно как ток начальной загрузки . Это позволяет правильно спроектированному реактору генерировать часть внутреннего тока, необходимого для скручивания силовых линий магнитного поля, без необходимости подачи его из внешнего источника. Это имеет ряд преимуществ, и все современные конструкции пытаются генерировать как можно большую часть своего общего тока посредством процесса начальной загрузки.
К началу 1990-х годов сочетание этих и других особенностей привело к появлению концепции «продвинутого токамака». Это составляет основу современных исследований, включая ИТЭР.
Токамаки подвержены событиям, известным как «разрушения», которые приводят к потере удержания за миллисекунды . Существует два основных механизма. В одном из них, «событии 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 приводит к тому, что плазма принимает несимметричные формы, часто сжимаясь в верхней и нижней части камеры. [100]
Когда плазма касается стенок сосуда, она подвергается быстрому охлаждению или «термическому закалке». В случае серьезного разрушения это обычно сопровождается кратковременным увеличением тока плазмы по мере ее концентрации. Закалка в конечном итоге приводит к разрушению удержания плазмы. В случае серьезного сбоя ток снова падает, происходит «затухание тока». Первоначальное увеличение тока в VDE не наблюдается, одновременно происходит термическое и токовое гашение. [100] В обоих случаях тепловая и электрическая нагрузка плазмы быстро переносится на корпус реактора, который должен быть в состоянии выдерживать эти нагрузки. ИТЭР рассчитан на обработку 2600 таких событий за свой срок службы. [101]
Для современных высокоэнергетических устройств, где плазменные токи в ИТЭР составляют порядка 15 мегаампер , возможно, что кратковременное увеличение тока во время серьезного сбоя превысит критический порог. Это происходит, когда ток оказывает 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 лавине релятивистских убегающих электронов . Они сохраняют свою энергию даже тогда, когда происходит гашение тока в объеме плазмы. [101]
Когда изоляция, наконец, разрушается, эти убегающие электроны следуют по пути наименьшего сопротивления и ударяются о стенку реактора. Они могут достигать 12 мегаампер тока на небольшой площади, что значительно превышает возможности любого механического решения. [100] В одном известном случае в токамаке Фонтене-о-Роз произошел серьезный сбой, когда убегающие электроны прожгли дыру в вакуумной камере. [101]
Частота крупных сбоев в работе токамаков всегда была достаточно высокой, порядка нескольких процентов от общего числа выстрелов. В токамаках, эксплуатируемых в настоящее время, ущерб часто бывает большим, но редко драматичным. В токамаке ИТЭР ожидается, что возникновение ограниченного числа крупных сбоев приведет к окончательному повреждению камеры без возможности восстановления устройства. [102] [103] [104] Разработка систем противодействия эффектам убегающих электронов считается обязательной частью технологии для оперативного уровня ИТЭР. [101]
Большая амплитуда центральной плотности тока также может привести к внутренним сбоям или пилообразным состояниям, которые обычно не приводят к прекращению разряда. [105]
В работающем термоядерном реакторе часть вырабатываемой энергии будет использоваться для поддержания температуры плазмы по мере введения свежих дейтерия и трития . Однако при запуске реактора, первоначально или после временной остановки, плазму придется нагреть до рабочей температуры более 10 кэВ (более 100 миллионов градусов Цельсия). В текущих экспериментах по магнитному синтезу на токамаке (и других) вырабатывается недостаточно энергии термоядерного синтеза для поддержания температуры плазмы, и необходимо обеспечить постоянный внешний нагрев. Китайские исследователи в 2006 году создали экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST), который, как полагают, поддерживает плазму с температурой 100 миллионов градусов Цельсия (температура Солнца составляет 15 миллионов градусов Цельсия), необходимую для инициирования синтеза атомов водорода, согласно последнему проведенному тесту. в EAST (тест проведен в ноябре 2018 г.).
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. Выделяемое 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 постоянным увеличением тока через электромагнитную обмотку, связанную с плазменным тором: плазму можно рассматривать как вторичную обмотку трансформатора. По своей сути это импульсный процесс, поскольку существует ограничение тока через первичную обмотку (есть и другие ограничения на длинные импульсы). Поэтому токамаки должны либо работать в течение коротких периодов времени, либо полагаться на другие средства нагрева и подачи тока.
Газ можно нагреть резким сжатием. Точно так же температура плазмы повышается, если ее быстро сжимать за счет увеличения удерживающего магнитного поля. В токамаке это сжатие достигается просто за счет перемещения плазмы в область более высокого магнитного поля (т. е. радиально внутрь). Поскольку сжатие плазмы сближает ионы, этот процесс имеет дополнительное преимущество, заключающееся в облегчении достижения необходимой плотности для термоядерного реактора.
Магнитное сжатие было областью исследований на заре «толкания токамаков» и было целью одной крупной конструкции - ATC. С тех пор эта концепция не получила широкого распространения, хотя несколько похожая концепция является частью конструкции General Fusion .
Инжекция нейтрального пучка включает введение высокоэнергетических (быстро движущихся) атомов или молекул в омически нагретую магнитно-удерживаемую плазму внутри токамака.
Атомы высокой энергии возникают в виде ионов в дуговой камере, а затем извлекаются через набор решеток высокого напряжения. Термин «источник ионов» обычно используется для обозначения узла, состоящего из набора нитей, испускающих электроны, объема дуговой камеры и набора выводных решеток. Второе устройство, аналогичное по концепции, используется для раздельного ускорения электронов до той же энергии. Гораздо более легкая масса электронов делает это устройство намного меньшим, чем его ионный аналог. Затем два луча пересекаются, где ионы и электроны рекомбинируются в нейтральные атомы, позволяя им путешествовать через магнитные поля.
Как только нейтральный пучок попадает в токамак, происходит взаимодействие 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 за счет ударов с остальной частью топлива, и эти воздействия откладывают энергию в этом топливе, нагревая его.
Этот вид нагрева не имеет внутреннего ограничения по энергии (температуре) в отличие от омического метода, но его скорость ограничена током в инжекторах. Напряжения извлечения источников ионов обычно составляют порядка 50–100 кВ, а для ИТЭР разрабатываются высоковольтные источники отрицательных ионов (-1 МВ). Испытательный стенд нейтрального луча ИТЭР в Падуе станет первым объектом ИТЭР, который начнет работу. [106]
Хотя инжекция нейтрального луча используется в основном для нагрева плазмы, ее также можно использовать в качестве диагностического инструмента и для управления с обратной связью, создавая импульсный луч, состоящий из серии коротких импульсов луча длительностью 2–10 мс. Дейтерий является основным топливом для систем нагрева нейтральным лучом, а водород и гелий иногда используются в отдельных экспериментах.
Высокочастотные электромагнитные волны генерируются генераторами (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 объемной плазмы. Существуют различные методы, включая нагрев электронным циклотронным резонансом (ECRH) и нагрев ионным циклотронным резонансом . Эта энергия обычно передается микроволнами.
Плазменные разряды внутри вакуумной камеры токамака состоят из заряженных ионов и атомов, и энергия этих частиц в конечном итоге достигает внутренней стенки камеры посредством излучения, столкновений или отсутствия удержания. Внутренняя стенка камеры охлаждается водой, и тепло от частиц отводится за счет проводимости через стенку к воде и конвекции нагретой воды во внешнюю систему охлаждения.
Турбомолекулярные или диффузионные насосы позволяют откачивать частицы из объемного 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 крошечными, нейтроны не подвергаются воздействию магнитных полей и не сильно задерживаются окружающей вакуумной камерой.
Поток нейтронов значительно снижается на границе специально построенной нейтронной защиты, которая окружает токамак со всех сторон. Материалы защиты различаются, но обычно это материалы, состоящие из атомов, размер которых близок к размеру нейтрона, поскольку они лучше всего поглощают нейтрон и его энергию. Хорошими материалами-кандидатами являются материалы с большим содержанием водорода, такие как вода и пластик. Атомы бора также являются хорошими поглотителями нейтронов. Таким образом, бетон и полиэтилен, легированный бором, являются недорогими материалами нейтронной защиты.
После освобождения нейтрон имеет относительно короткий период полураспада, около 10 минут, прежде чем он распадается на протон и электрон с выделением энергии. Когда придет время действительно попытаться производить электричество из реактора на базе токамака, некоторые нейтроны, образующиеся в процессе термоядерного синтеза, будут поглощены слоем жидкого металла, а их кинетическая энергия будет использоваться в процессах теплопередачи, чтобы в конечном итоге включить генератор. .
(в хронологическом порядке начала операций)
.jpg/1280px-Iter_aerial_2017_Halfway_to_first_plasma_(45588568915).jpg)
