Войти
Реакционная камера DIII-D, экспериментального термоядерного реактора токамака, эксплуатируемого General Atomics в Сан-Диего, который использовался в исследованиях с момента их завершения в конце 1980-х годов. Камера с характерной формой тора покрыта графитом , чтобы выдерживать экстремальные температуры. A токамак (; Русский : Токамак) - устройство, использующее мощное магнитное поле для удержания горячей плазмы в форме тора. Токамак является одним из нескольких типов устройств магнитного удержания, разрабатываемых для производства контролируемой термоядерной термоядерной энергии. По состоянию на 2016 год это ведущий кандидат для практического термоядерного реактора.
. Токамаки были первоначально концептуализированы в 1950-х годах советскими физиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым, вдохновленными письмо Олега Лаврентьева. Между тем, первый рабочий токамак был приписан работе Натана Явлинского над Т-1. Было продемонстрировано, что для устойчивого плазменного равновесия требуются силовые линии магнитного поля, которые наматываются вокруг тора по спирали. Такие устройства, как z-pinch и стелларатор, пытались это сделать, но продемонстрировали серьезную нестабильность. Разработка концепции токамака, которая сейчас известна как коэффициент запаса (в математической записи обозначается q), была разработана при разработке концепции; Благодаря расположению реактора таким образом, чтобы этот критический коэффициент q всегда был больше 1, токамаки сильно подавляли нестабильность, которая преследовала более ранние конструкции.
Первый токамак, Т-1, был введен в эксплуатацию в 1958 году. К середине 1960-х годов конструкции токамаков стали демонстрировать значительно улучшенные характеристики. Первые результаты были опубликованы в 1965 году, но проигнорированы; Лайман Спитцер сразу уволил их, отметив потенциальные проблемы в их системе измерения температуры. Второй набор результатов был опубликован в 1968 году, на этот раз заявив, что производительность намного выше, чем у любой другой машины, и которые также были сочтены ненадежными. Это привело к приглашению делегации из Соединенного Королевства для проведения собственных измерений. 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 достижения безубыточности (коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза равный 1) была разработана новая серия машин, которые будут работать на термоядерном топливе, содержащем дейтерий и <276.>тритий. Эти машины, в частности, Joint European Torus (JET), Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) и JT-60, преследовали цель выйти на безубыточность.
Вместо этого эти машины продемонстрировали новые проблемы, ограничивавшие их производительность. Для их решения потребуется гораздо более крупная и дорогая машина, за пределами возможностей любой страны. После первоначального соглашения между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым в ноябре 1985 г. возникла программа Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), которая остается основной международной инициативой по разработке практическая термоядерная сила. Многие меньшие конструкции и ответвления, такие как сферический токамак, продолжают использоваться для исследования параметров производительности и других проблем. По состоянию на 2019 год JET остается рекордсменом по мощности термоядерного синтеза, достигая 16 МВт на 24 МВт входной тепловой мощности.
Слово токамак является транслитерацией из русского слова токамак, сокращение от:
или
Термин был создан в 1957 г. директор Лаборатории измерительных приборов Академии наук, сегодня Курчатовский институт. Подобный термин, токомаг, также предлагался какое-то время.
Марка СССР, 1987 г.: термоядерная система Токамак В 1934 г. Марк Олифант, Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми осуществили синтез на Земле, применив ускоритель частиц для выброса дейтерия ядра в металлическую фольгу, содержащую дейтерий или другие атомы. Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза и определили, что реакция дейтерий-дейтерий протекает при более низкой энергии, чем другие реакции, с максимумом около 100000 электронвольт (100 кэВ).
Термоядерный синтез на основе ускорителя непрактичен, поскольку сечение реакции крошечное; большинство частиц в ускорителе будут разлетаться 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 слиянию. Таким образом, энергия, вложенная в эти частицы, теряется, и легко продемонстрировать, что это намного больше энергии, чем могут высвободить результирующие реакции синтеза.
Для поддержания синтеза и получения полезной выходной энергии большая часть топлива должна нагреваться до высоких температур, чтобы его атомы постоянно сталкивались с высокой скоростью; это дает начало названию термоядерной из-за высоких температур, необходимых для его возникновения. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что реакция будет самоподдерживающейся при температуре около 50 000 000 К; при этой температуре скорость выделения энергии реакциями достаточно высока, чтобы они нагревали окружающее топливо достаточно быстро, чтобы поддерживать температуру с учетом потерь в окружающую среду, продолжая реакцию.
В течение Манхэттенский проект, первый практический способ достижения таких температур был создан с использованием атомной бомбы. В 1944 году Ферми выступил с докладом о физике термоядерного синтеза в контексте тогда еще гипотетической водородной бомбы. Тем не менее, некоторые мысли уже были высказаны относительно устройства управляемого термоядерного синтеза, и Джеймс Л. Так и Станислав Улам предприняли такие попытки с использованием кумулятивных зарядов, запускающих металлическую фольгу. с дейтерием, хотя и безуспешно.
Первые попытки построить практическую термоядерную машину были предприняты в Соединенном Королевстве, где Джордж Пэджет Томсон выбрал пинч-эффект как многообещающий метод в 1945 году. После нескольких неудачных попыток получить финансирование, он сдался и попросил двух аспирантов, Стэна Казинса и Алана Уэра, построить устройство из избыточного радара оборудование. Он успешно работал в 1948 году, но не продемонстрировал явных доказательств термоядерного синтеза и не заинтересовал Научно-исследовательский центр атомной энергии.
В 1950 году Олег Лаврентьев, затем сержант Красной Армии, дислоцированный на Сахалине, почти не имеющий дела, написал письмо в ЦК Коммунистической партии Советского Союза. В письме изложена идея использования атомной бомбы для зажигания термоядерного топлива, а затем описана система, которая использует электростатические поля для удержания горячей плазмы в стационарном состоянии в течение производство энергии.
Письмо отправлено Андрею Сахарову для комментариев. Сахаров отметил, что «автор формулирует очень важную и не обязательно безнадежную проблему», и обнаружил, что его главная проблема в устройстве заключалась в том, что плазма будет попадать на электродные проволоки, и что «широкие ячейки и тонкая токопроводящая часть, которая будет иметь отражать почти все падающие ядра обратно в реактор. По всей вероятности, это требование несовместимо с механической прочностью устройства ».
Некоторое свидетельство важности письма Лаврентьева можно увидеть в скорости с который был обработан; письмо было получено ЦК 29 июля, Сахаров прислал рецензию 18 августа, к октябрю Сахаров и Игорь Тамм завершили первое детальное исследование термоядерного реактора, и они запросили финансирование на его строительство в январе 1951 года.
При нагревании до температур термоядерного синтеза 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 манипулировать с помощью электрических или магнитных полей.
Беспокойство Сахарова по поводу электродов побудило его рассмотреть возможность использования магнитного удержания вместо электростатического. В случае магнитного поля частицы будут вращаться вокруг силовых линий . Поскольку частицы движутся с высокой скоростью, их траектория выглядит как спираль. Если расположить магнитное поле так, чтобы силовые линии были параллельны и близки друг к другу, частицы, вращающиеся вокруг соседних линий, могут столкнуться и слиться.
Такое поле может быть создано в соленоиде, a цилиндр с магнитами, обернутыми снаружи. Комбинированные поля магнитов создают набор параллельных магнитных линий, проходящих по длине цилиндра. Такое расположение предотвращает перемещение частиц боком 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 таком расположении частицы вращаются бесконечно.
Сахаров обсудил концепцию с Игорем Таммом, и к концу октября 1950 года они написали предложение и отправили его Игорю Курчатов, руководитель проекта атомной бомбы в СССР, и его заместитель,. Однако это первоначальное предложение игнорировало фундаментальную проблему; когда они расположены вдоль прямого соленоида, внешние магниты расположены равномерно, но когда они согнуты в тор, они расположены ближе друг к другу внутри кольца, чем снаружи. Это приводит к неравномерным силам, которые заставляют частицы уноситься прочь от своих магнитных линий.
Во время посещения Лаборатории измерительных приборов Академии наук СССР (ЛИПАН), советской ядерной лаборатории. Исследовательский центр Сахаров предложил два возможных решения этой проблемы. Один заключался в том, чтобы подвесить токопроводящее кольцо в центре тора. Ток в кольце будет создавать магнитное поле, которое смешивается с магнитным полем снаружи. Результирующее поле будет закручено в спираль, так что любая заданная частица будет неоднократно 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, которое имело бы тот же эффект.
В январе 1951 года Курчатов организовал встречу в LIPAN, чтобы обсудить вопрос Сахарова. концепции. Они нашли широкий интерес и поддержку, и в феврале отчет по этой теме был направлен Лаврентию Берии, руководившему атомными проектами в СССР. Какое-то время ничего не было слышно.
Рональд Рихтер (слева) с Хуаном Доминго Пероном (справа). Заявления Рихтера послужили толчком к исследованию термоядерного синтеза во всем мире. 25 марта 1951 года президент Аргентины Хуан Перон объявил, что бывший немецкий ученый Рональд Рихтер преуспел в создании термоядерного синтеза в лабораторные весы как часть того, что сейчас известно как Проект Хюмуль. Ученые всего мира были взволнованы 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.
Несмотря на то, что ядерные исследователи отвергли это, широкое освещение в новостях означало, что политики внезапно осознали и восприимчивы к термоядерному синтезу. исследование. В Великобритании Томсон, которому неоднократно отказывали, внезапно получил значительное финансирование. В течение следующих месяцев были запущены два проекта, основанные на системе зажима. В США Лайман Спитцер прочитал историю Хьюмула, понял, что она ложная, и приступил к разработке машины, которая будет работать. В мае он получил 50 000 долларов на начало исследования своей концепции стелларатора . Джим Так ненадолго вернулся в Великобританию и увидел щипковые машины Томсона. Когда он вернулся в Лос-Аламос, он также подал заявку на финансирование одновременно со Спитцером, но получил отказ. Вместо этого ему были выделены 50 000 долларов прямо из бюджета Лос-Аламоса.
Подобные события произошли в СССР. В середине апреля Дмитрий Ефремов из Научно-исследовательского института электрофизических аппаратов ворвался в кабинет Курчатова с журналом, в котором был рассказ о работах Рихтера, и потребовал объяснить, почему их избили аргентинцы. Курчатов немедленно связался с Берией с предложением создать отдельную лабораторию термоядерных исследований под руководством Льва Арцимовича. Спустя всего несколько дней, 5 мая, предложение было подписано Иосифом Сталиным.
красная плазма на ВОСТОКЕ К октябрю Сахаров и Тамм завершили гораздо более детальное рассмотрение своего оригинала. предложение, призывающее к устройству с большим радиусом (тора в целом) 12 метров (39 футов) и малым радиусом (внутренняя часть цилиндра) 2 метра (6 футов 7 дюймов). Предложение предполагало, что система может производить 100 граммов (3,5 унции) трития в день или 10 килограммов (22 фунта) U233 в день.
По мере дальнейшего развития идеи, стало понятно, что ток в плазме может создавать поле, достаточно сильное, чтобы удерживать плазму, устраняя необходимость во внешних магнитах. К этому моменту советские исследователи заново изобрели систему зажима, которая разрабатывалась в Великобритании, хотя они пришли к этой конструкции с совершенно другой отправной точки.
После того, как 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 будет нагревать ее посредством обычного резистивного нагрева, но это не нагревает плазму до температур термоядерного синтеза. Однако, когда плазма схлопывается, адиабатический процесс приведет к резкому повышению температуры, более чем достаточному для термоядерного синтеза. При таком развитии событий только Головин и Натан Явлинский продолжили рассмотрение более статичного тороидального устройства.
4 июля 1952 года группа измерила нейтроны освобождаются от линейного зажима. Лев Арцимович потребовал, чтобы они все проверили, прежде чем сделать вывод о том, что термоядерный синтез произошел, и во время этих проверок они обнаружили, что нейтроны вовсе не образовались. 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.
После долгих исследований было обнаружено, что нейтроны были вызваны нестабильностью в плазма. Было два распространенных типа нестабильности: колбаса, которая наблюдалась в основном в линейных машинах, и изгиб, который был наиболее распространен в тороидальных машинах. Группы во всех трех странах начали изучать формирование этих нестабильностей и возможные способы их решения. Важный вклад в эту область внесли Мартин Дэвид Крускал и Мартин Шварцшильд в США и Шафранов в СССР.
Одной из идей, пришедших из этих исследований, стала известный как «стабилизированный зажим». Эта концепция добавляла дополнительные магниты снаружи камеры, которые создавали поле, которое должно было присутствовать в плазме до пинчевого разряда. В большинстве концепций внешнее поле было относительно слабым, и поскольку плазма диамагнитна, она проникала только во внешние области плазмы. 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».
Сахаров пересмотрел свои первоначальные концепции тороидального излучения и пришел к несколько иному выводу о том, как стабилизировать плазму. Схема будет такой же, как и в концепции стабилизированного пинча, но роль двух полей будет обратной. Вместо слабых внешних полей, обеспечивающих стабилизацию, и сильного пинчевого тока, отвечающего за удержание, в новой схеме внешние магниты будут намного мощнее, чтобы обеспечить большую часть удержания, в то время как ток будет намного меньше и будет отвечать за стабилизацию.
Хрущев (примерно посередине, лысый), Курчатов (справа, бородатый) и Булганин (справа, седой) посетили Харвелл 26 апреля 1956 года. Кокрофт напротив них (в очках), а докладчик указывает на макеты различных материалов, тестируемых в недавно открытом реакторе DIDO.. В 1955 году, когда линейные подходы все еще нестабильны, было построено первое тороидальное устройство в СССР. TMP был 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 полностьюудержана магнитным полем и не ударялась о стенки камеры. За ними последовали две машины меньшего размера с медными оболочками. Электропроводящие оболочки были предназначены для стабилизации плазмы, но не были полностью успешными ни на одной из машин, которые пробовали это.
Прогресс явно застопорился, в 1955 году Курчатов созвал Всесоюзную конференцию советских исследователей с окончательной целью открытия термоядерных исследований в СССР. В апреле 1956 года в рамках широко разрекламированного визита Никиты Хрущева и Николая Булганина. Он выступил с докладом в Исследовательском институте атомной энергии в бывшем RAF Harwell, где он шокировал хозяев, представив подробный исторический обзор советских усилий по термоядерному синтезу. Он нашел, чтобы отметить, в особенности, нейтроны, обнаруженные в ранних машинах, и предупил, что нейтроны не означают термоядерный синтез.
Курчатов не знал, что британская стабилизированная пинч-машина ZETA строилась на дальний конец бывшей взлетно-посадочной полосы. ZETA была, безусловно, самой большой и мощной термоядерной машиной на сегодняшний день. Опираясь на эксперименты с более ранними конструкциями, которые были модифицированы для стабилизации, ZETA намеревался испытать низкие показатели внедрения. Был объявлен термоядерный синтез в ZETA на основе испускания нейтронов и измерения температуры плазмы.
Виталий Шафранов и Станислав Брагинский изучили новости и попытались выяснить, как это работает. Одной из возможностей, которые они рассматривали, использование слабых «замороженных» полей, но отвергли это, полагая, что полей не хватит на долгое время. Затем они пришли к выводу, что ZETA практически идентична устройствам, которые они изучали, с сильными внешними полями.
К этим времени советские исследователи решили построить более крупную тороидальную машину вдоль линии, предложенные Сахаровым. В частности, в их дизайне учитывается один важный момент, найденный в работах Крускала и Шафранова; если бы спиралевидный путь частиц заставлял их циркулировать по окружности плазмы быстрее, чем они вращались по длинной оси тора, изгибная неустойчивость была бы сильно подавлена.
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 Крускала-Шафранова утверждает, что перегиб будет подавляться, пока q>1. Этот путь контролируется относительной силой внешних магнитов по с полем, создаваемым внутренним током. Чтобы иметь q>1, внешние магниты должны быть намного более мощными, или в качестве альтернативы, уменьшить внутренний ток.
Следуя этому критерию, началось проектирование нового реактора Т-1, сегодня известен как первый настоящий токамак. В Т-1 использовались как более сильные внешние магниты, так и меньший ток по со стабилизированными пинч-машинами, такими как ZETA. Успех Т-1 привел к его признанию первым рабочим токамаком. За свою работу «Мощные импульсные разряды в газе для достижения необычно высоких температур, необходимых для термоядерных процессов», Явлинский был удостоен Ленинской премии и Сталинской премии в 1958 году. Явлинский был удостоен Уже готовится проект еще более крупной модели, позже построенной как Т-3. После явно успешного объявления ZETA концепция Явлинского была воспринята очень положительно.
Подробности ZETA стали известны в серии статей в Nature в конце января. К удивлению Шафранова, система действительно использовала концепцию «замороженного» поля. Онался скептически настроенным, но команда Института Иоффе остав в С. Петерсберг 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.
Т-1 начал работу в конце. 1958 г. Он показывает очень высокие потери энергии на излучение. 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 отваривания захваченных газов.
Как часть второго Атом для мира на встрече в Женеве в сентябре 1958 года советская делегала опубликовала множество документов, посвященных их исследования в области термоядерного синтеза. Среди них был набор начальных результатов на их тороидальных машинах, которые на тот момент не показали ничего примечательного.
«Звездой» шоу была большая модель стелларатора Спитцера, которая сразу же привлекла внимание Советы. В плазме, не пропуская через нее ток, используя магнитов, которые могли в установившемся режиме, а не импульсы индукционной системы. Курчатов начал просить Явлинского изменить конструкцию Т-3 на стелларатор, но они убедили его, что ток играет полезную вторую роль в нагреве, чего стелларатору не хватало.
Во время шоу стелларатор страдал от целой череды мелких проблем, которые только что решались. Их решение показало, что скорость диффузии плазмы была намного выше, чем предсказывала теория. По той или иной причине аналогичные проблемы были замечены во всех современных конструкциях. Стелларатор, концепции пинча и машины с магнитным зеркалом как в США, так и в СССР не действуют проблемы, ограничивающие время их удержания.
Проблема с первым запуском термоядерного синтеза. скрывается на заднем плане. Во время Манхэттенского проекта Дэвид Бом входил в группу, работавшую над разделением изотопов урана. В послевоенное время он продолжал работать с плазмой в магнитных полях. Используя основную теорию, можно было бы ожидать, что плазма будет диффундировать через силовые линии со скоростью, обратно пропорциональной квадрату напряженности поля, а это означает, что небольшое увеличение силы значительно улучшит удержание. Но на основе своих экспериментов Боми разработала эмпирическую формулу, теперь известную как диффузия Бома, исходя из которой следует, что скорость линейна с магнитной силой, а не с ее квадратом.
Если формула Бома верна, не было никакой надежды на создание термоядерного реактора на основе магнитного удержания. Чтобы удерживать плазму при температуре, необходимом для термоядерного синтеза, магнитное поле должно быть на порядки больше, чем у любого известного магнита. Спитцер приписывает разницу между темпами диффузии и классической диффузией турбулентностью в плазме, что стационарные поля стелларатора не пострадают от этой проблемы. Различные эксперименты показали, что коэффициент Бома неприменим и что классическая формула верна.
Но к началу 1960-х годов, когда все различные конструкции протекали с огромной скоростью, сам Спитцер пришел к выводу, что шкала была неотъемлемым свойством плазмы, и такое магнитное удержание не работало. Вся эта область погрузилась в то, что известно как «депрессия», период сильного пессимизма.
В отличие от других конструкций, экспериментальные токамаки казались прогрессировал так, что небольшая теоретическая проблема стала реальной проблемой. В плазме есть небольшой градиент давления, чтобы его было раньше игнорировать, но теперь становится чем-то, с чем нужно работать. Это привело к добавлению еще одного набора магнитов в 1962 году, которое создавало вертикальное поле, компенсировавшее эти эффекты. Это был успех, и к середине 1960-х годов машины начали показывать признаки того, что они побеждают.
На второй конференции Международного агентства по атомной энергии 1965 года по термоядерному синтезу на недавно созданной в Великобритании открывшейся Culham Center for Fusion Energy, Арцимович сообщил, что их системы превзошли предел Бома в 10 раз. Спитцер, просматривая презентации, предположил, что предел Бома все еще может подпис; результаты находились в пределах экспериментальной ошибки результатов наблюдаемых на стелларатораторах, измерения температуры, основанные на магнитных полях, просто не вызывали доверия.
Следующее крупное международное совещание по термоядерному синтезу было проведено в августе 1968 года в 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 декларация объявила, что Т-3 производил температуру электронов 1000 эВ (эквивалент 10 миллионов градусов Цельсия) и что время удержания как минимум в 50 раз превышало предел Бома.
Эти результаты были приемлемыми. как минимум в 10 раз больше, чем у любой другой машины. Они представляют собой огромный скачок в сообществе фьюжн-сообщества. Спитцер остался скептически настроенным, что измерения температуры по-прежнему основывались на косвенных расчетах магнитных свойств плазмы. Многие пришли к выводу, что они были вызваны эффектом, известным как убегающие электроны, и что Советы измеряли эти энергичные электроны, а не температуру тела. Советы возразили аргументами, предполагающими, что температура, которую они измеряли, была максвелловской, и споры разгорелись.
После ZETA британские команды диагностики начали разработку новых инструментов плазмы для обеспечения более точных измерений. Среди них было использование лазера для прямого измерения температуры объемных электронов с использованием томсоновского рассеяния. Этот метод был хорошо известен и уважался в сообществе фьюжн-разработчиков; Арцимович публично назвал это «блестящим». Арцимович пригласил Баса Пиза, главу Калэма, использовать их устройства на советских реакторах. В разгар холодной войны, что до сих пор считается крупным политическим маневром со стороны Арцимовича, британским физикам разрешили посетить Курчатовский институт, центр советских разработок ядерной бомбы.
Британская команда, получившая прозвище «Калхэмская пятерка», прибыла в конце 1968 года. После длительной установки и калибровки команда измерила температуру в течение многих экспериментальных прогонов. Первые результаты были доступны к августу 1969 г.; Советы были правы, их результаты были точными. Командаила домой с результатами Калхэму, который затем передал их конфиденциальный телефонный звонок Вашингтону. Окончательные результаты были опубликованы в журнале Nature в ноябре 1969 года. Результаты этого объявления были охарактеризованы как «настоящая давка» строительства токамаков по всему миру.
Осталась одна серьезная проблема. Чем пинч-машина, это означало, что температура плазмы ограничивалась скоростью резистивного сообщения тока. Впервые предложенный в 1950 году в документе Удельное сопротивление Спитцера утверждено, что электрическое сопротивление плазмы снижается при повышении температуры, что означало температуры, что скорость плазмы будет снижаться по мере улучшения устройств и повышения. нажал выше. Расчеты показали, что результирующие максимальные температуры, оставаясь в пределах q>1, будут ограничены низкими миллионами градусов. Арцимович поспешил указать на это в Новосибирске, заявив, что будущий прогресс потребует разработки новых методов отопления.
Одним из участников встречи в Новосибирске в 1968 году был Амаса Стоун Бишоп, один из руководителей американской программы термоядерного синтеза. Одним из немногих других устройств, демонстрирующих явное свидетельство превышения предела Бома в то время, была концепция. И Лоуренс Ливермор, и Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), где располагался стелларатор Спитцера, создавали вариации на основе многополюсной конструкции. Хотя сам по себе Т-3 был умеренно успешным, он значительно превосходил любую машину. Бишоп был обеспокоен тем, что мультиполи были избыточными, и считал, что США должны рассмотреть возможность создания токамака самостоятельно.
Когда он поднял этот вопрос на встрече в декабре 1968 года, директора лабораторий отказались его рассматривать. Мелвин Б. Готлиб из Принстона был в ярости, спрашивая: «Как вы думаете, этот комитет может перехитрить ученых?» Поскольку основные лаборатории требовали, чтобы они контролировали свои собственные исследования, одна лаборатория оказалась в стороне. Ок-Ридж изначально входил в сферу термоядерного синтеза с исследованиями топливных систем реакторов, но развился в собственную зеркальную программу. К середине 1960-х их проекты DCX исчерпали свои идеи, и они не предлагали ничего, чего не предлагала аналогичная программа в более престижном и политически влиятельном Ливерморе. Это сделало их очень восприимчивыми к новым концепциям.
После значительных внутренних дебатов Герман Постма в начале 1969 года сформировал небольшую группу для рассмотрения токамака. Они придумали новый дизайн, позже получивший название, в котором было несколько новых особенностей. Основным из них был способ создания внешнего поля в едином большом медном блоке, питаемом энергией от большого трансформатора, расположенного 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, позволяющее тору иметь меньший большой радиус без необходимости прокладывать кабели через отверстие для бублика, что приводило к более низкому соотношению сторон , которое, как уже предполагали Советы, могло бы дать лучший результат.
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, а затем разрешил длительные сессии вопросов и ответов. По мере того как это продолжалось, сам Массачусетский технологический институт заинтересовался токамаком, ранее оставаясь вне области термоядерного синтеза по ряду причин. Бруно Коппи работал в Массачусетском технологическом институте в то время и, следуя той же концепции, 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. Лаборатория магнитов Фрэнсиса Биттера Массачусетского технологического института (MIT) была мировым лидером в разработке магнитов, и они были уверены, что смогут их построить.
В 1969 году две дополнительные группы приступили к работе. 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 более низкое соотношение сторон улучшит производительность, также предполагала, что C- или D-образная плазма будет делать то же самое. Он назвал новый дизайн. Между тем, группа из Техасского университета в Остине предлагала относительно простой токамак для исследования нагрева плазмы за счет преднамеренно индуцированной турбулентности.
Когда члены комиссии по атомной энергии по термоядерному синтезу Руководящий комитет снова собрался в июне 1969 года, у них «из ушей вылетали предложения токамаков». 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 почти идеальным для такого преобразования. Они продолжают Предлагается предложить длинный список причин, по которой не следует переделывать. Когда их спросили, разгорелась яростная дискуссия о надежности советских результатов.
Наблюдая за ходом дебатов, Готлиб передумал. Не было смысла продвигаться вперед с токамаком, если советские измерения температуры электронов не были точными, чтобы либо опровергнуть их результаты. Купаясь в во время обеденного перерыва, он рассказал Гарольду Фёрту свой план, на что Фурт ответил: «Ну, может быть, ты прав». После обеда различные команды представили свои проекты, после чего Готлиб представил свою идею «стелла-токамак» на основе модели C.
Постоянный комитет эксперт, что эта система может быть завершена за шесть месяцев. в то время как Ормак займет год. Лишь спустя короткое время были опубликованы конфиденциальные результаты исследования Калхэмской пятерки. Постоянный комитет выделил финансирование для всех этих предложений. Новая конфигурация модели C, вскоре названная, просто для проверки советских результатов, в то время как другие будут исследовать способы выйти далеко за рамки T-3.
Вид сверху на Princeton Large Torus в 1975 году. PLT установил режим работы термоядерного режима, установленный для режима токамака. Эксперименты на симметричном токамаке начались в мае 1970 года, и к началу следующего года они подтвердили советские результаты. От стелларара отказались, и PPPL обратила значительный опыт на решение проблемы проблемы плазмы. Две концепции казались многообещающими. PPPL использует магнитное давление, метод, похожий на пинч, для сжатия теплой плазмы с помощью повышения ее температуры, но при этом сжатие осуществляется через магниты, а не через ток. Ок-Ридж используют инжекцию нейтрального луча, небольшие ускорители частицы, которые работают через окружающее магнитное поле, где они сталкиваются с плазмой и нагревают ее.
PPPL (ATC) начал работу в мае 1972 года, вскоре после этого появился Ормак, оснащенный нейтральным лучом. Оба сертификата соответствия, но PPPL обошла Ок-Ридж, установив форсунки на ATC и предоставив свидетельство успешного обогрева в 1973 году. Этот успех «подхлестнул» Ок-Ридж, который попал в немилость в Руководящем комитете Вашингтона.
К этому времени находился в стадии разработки более крупный проект, основанный на лучевом нагреве, Большой Принстонский Торус или PLT. PLT был разработан специально для того, чтобы «дать четкое представление о том, может ли концепция токамака плюс дополнительный нагрев лечь в основу будущего термоядерного реактора». PLT имел огромный успех, постоянно повышая свою внутреннюю температуру, пока в 1978 году она не достигла 60 миллионов по Цельсию (8000 эВ, в восемь раз больше рекорда T-3). Это ключевой момент в разработке токамака; реакции синтеза становятся самоподдерживающимися при температурах от 50 до 100 миллионов по Цельсию, PLT продемонстрировал, что это технически достижимо.
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. Они могли позволить себе изучить все многообещающие методы нагрева и в конечном итоге обнаружили, что нейтральные лучи являются одними из самых эффективных.
В этот период Роберт Хирш возглавил Управление развития термоядерного синтеза в США Комиссия по атомной энергии. 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 усилиями лабораторий и в основном научными исследованиями, теперь стало инициативой Вашингтона по созданию работающего реактора, производящего энергию. Этому способствовал нефтяной кризис 1973 года, который привел к значительному увеличению исследований альтернативных источников энергии.
Joint European Torus (JET), крупнейший в настоящее время действующий токамак, который находится в эксплуатации с 1983 г. К концу 1970-х годов токамаки достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного реактора; в 1978 году PLT продемонстрировал температуры воспламенения, в следующем году советский Т-7 впервые успешно использовал сверхпроводящие магниты, Doublet оказался успешным и привел почти ко всем будущим конструкциям, использующим эту «формованную плазму». подход. Оказалось, что все, что требовалось для создания энергетического реактора, - это объединить все эти конструктивные решения в одну машину, которая могла бы работать с радиоактивным тритием в топливной смеси.
Гонка началась. В течение 1970-х годов во всем мире были профинансированы четыре основных предложения второго поколения. Советский Союз продолжил разработку Т-15, в то время как общеевропейские усилия были направлены на разработку Joint European Torus (JET), а Япония начала разработку JT-60 (первоначально известный как «Центр безубыточных испытаний плазмы»). В США Хирш начал разрабатывать планы аналогичной конструкции, пропуская предложения по другой конструкции ступеньки непосредственно к конструкции сжигания трития. Он получил название Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), запускаемый непосредственно из Вашингтона и не связанный с какой-либо конкретной лабораторией. 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 всего, потому что им больше всего будет проигрывать.
Волнение было настолько широко распространено, что несколько коммерческих предприятий по производству рекламы токамаки начались примерно в это время. Самый известный из них: в 1978 году Боб Гуччионе, издатель Penthouse Magazine, познакомился с Робертом Бассардом и стал крупнейшим и наиболее преданным частным инвестором в мире в технологии термоядерного синтеза., в конечном итоге вложив 20 миллионов долларов своих собственных денег в Compact Tokamak Бюссарда. Финансирование со стороны банка Riggs Bank привело к тому, что эта попытка была известна как Riggatron.
TFTR, выигравшая гонку строительства и начавшая работу в 1982 году, за которой вскоре последовали JET в 1983 году и JT-60 в 1985 году. JET быстро занял лидирующую позицию в критических экспериментах, перейдя от тестовых 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, так называемый «тройной продукт термоядерного синтеза », по-прежнему было намного ниже того, что было бы необходимо для практической конструкции реактора.
В середине 1980-х годов стали ясны причины многих из этих проблем, и были предложены различные решения. Однако это значительно увеличило бы размер и сложность машин. Последующий проект, включающий эти изменения, будет огромен и намного дороже, чем JET или TFTR. Новый период пессимизма наступил на поле термоядерного синтеза.
Схема в разрезе Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), крупнейшего токамака в мире, строительство которого началось в 2013 году и которое, по прогнозам, начнет работать в полную силу в 2035 году. предназначен для демонстрации того, что практический термоядерный реактор возможен и будет производить 500 мегаватт энергии. Синяя человеческая фигура внизу показывает масштаб. В то время, когда эти эксперименты демонстрировали проблемы, большая часть импульса для массового финансирования США исчезла; в 1986 году Рональд Рейган объявил, что энергетический кризис 1970-х закончился, а финансирование передовых источников энергии было урезано в начале 1980-х.
Некоторые мысли о проектировании международного реактора продолжались с июня 1973 года под названием INTOR, для IN International TOkamak Reactor. Первоначально это было начато благодаря соглашению между Ричардом Никсоном и Леонидом Брежневым, но продвигалось медленно с момента их первой настоящей встречи 23 ноября 1978 года.
Во время in В ноябре 1985 года Рейган поднял этот вопрос перед Михаилом Горбачевым и предложил реформировать организацию. "... Два лидера подчеркнули потенциальную важность работы, направленной на использование управляемого термоядерного синтеза в мирных целях, и в этой связи выступили за максимально широкое практическое развитие международного сотрудничества в получении этого источника энергии, который по сути неисчерпаем, для благо для всего человечества ».
В следующем году было подписано соглашение между США, Советским Союзом, Европейским Союзом и Японией о создании Международной организации по экспериментальному термоядерному реактору.
Проектные работы начались в 1988 году, и с тех пор реактор ИТЭР является основным проектом токамака во всем мире.
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 наложены. Положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны в термоядерной плазме находятся при очень высоких температурах и, соответственно, имеют 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 силу Лоренца и движутся по спирали вдоль силовых линий.
Простейшей системой магнитного удержания является 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 конечном итоге ударяются о стенки тора.
Решение состоит в том, чтобы сформировать линии таким образом, чтобы они не просто бегали вокруг тора., но закручивайтесь, как полосы на парикмахерской или леденце. В таком поле любая отдельная частица окажется на внешнем краю, где она будет дрейфовать в одну сторону, скажем, вверх, а затем, следуя своей магнитной линии вокруг тора, она окажется на внутреннем краю, где она будет перемещать другую. путь. Эта отмена не идеальна, но расчеты показали, что этого было достаточно, чтобы топливо оставалось в реакторе в течение полезного времени.
Два первых решения для создания конструкции с требовалось скручивание: стелларатор , который делал это за счет механического устройства, скручивающего весь тор, и конструкция z-пинча, которая пропускала электрический ток через плазму для создания второго магнитного поля. с той же целью. 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.
Токамак по существу идентичен концепции z-pinch по своей физической структуре. Его 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 при q около ⅓, тогда как токамак работал при 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.
Хотя токамак решает проблему стабильности плазмы в общем смысле, плазма также подвержена ряду динамических нестабильностей. Один из них, нестабильность изгиба, сильно подавляется компоновкой токамака, что является побочным эффектом высоких коэффициентов безопасности токамаков. Отсутствие изгибов позволило токамаку работать при гораздо более высоких температурах, чем предыдущие машины, и это позволило появиться множеству новых явлений.
Одна из них, банановая орбита, вызвана широким диапазоном энергий частиц в токамаке - большая часть топлива горячее, но определенный процент намного холоднее. Из-за сильного скручивания полей в токамаке частицы, следуя своим силовым линиям, быстро движутся к внутреннему краю, а затем к внешнему. По мере того, как они движутся внутрь, они подвергаются увеличению магнитных полей из-за меньшего радиуса концентрации поля. Частицы с низкой энергией в топливе будут отражаться от этого увеличивающегося поля и начнут двигаться назад через топливо, сталкиваясь с ядрами с более высокой энергией и рассеивая их из плазмы. Этот процесс приводит к потере топлива из реактора, хотя этот процесс достаточно медленный, поэтому практический реактор все еще находится в пределах досягаемости.
Одна из первых целей для любого управляемого термоядерного устройства должно достигнуть безубыточности, точки, в которой энергия, выделяемая реакциями синтеза, равна количеству энергии, используемой для поддержания реакции. Отношение входящей энергии к выходной энергии обозначается Q, а уровень безубыточности соответствует Q, равному 1. Для выработки реактором чистой энергии требуется Q, по крайней мере, один, но по практическим причинам 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 термоядерного синтеза наиболее распространенного термоядерного топлива, смеси 50-50 дейтерий и тритий находятся в форме альфа-частиц. Они могут сталкиваться с ядрами топлива в плазме и нагревать ее, уменьшая необходимое количество внешнего тепла. В какой-то момент, известный как воспламенение, этого внутреннего саморазогрева достаточно для поддержания реакции без какого-либо внешнего нагрева, соответствующего бесконечному Q.
В случае токамака этот процесс самонагрева увеличивается до максимума, 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.
В начале 1970-х годов в Принстоне проводились исследования по использованию мощных сверхпроводящих магнитов. В будущих конструкциях токамаков исследовали схему расположения 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 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».
Это не было Впервые такая договоренность рассматривалась, 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 конструкцию с более высоким средним q - это сформировать магнитные поля так, чтобы плазма заполняла только внешнюю половину тора, имеющую форму буквы D или C. торцевой, вместо нормального круглого сечения.
Одной из первых машин с D-образной плазмой была JET, разработка которой началась в 1973 году. Это решение было принято как по теоретическим, так и по практическим причинам; поскольку сила больше на внутреннем крае тора, существует большая результирующая сила, давящая внутрь на весь реактор. D-образная форма также имела то преимущество, что уменьшала чистую силу, а также делала поддерживаемый внутренний край более плоским, поэтому его было легче поддерживать. Код, исследующий общую схему, заметил, что некруглая форма будет медленно смещаться по вертикали, что привело к добавлению активной системы обратной связи, чтобы удерживать ее в центре. После того, как JET выбрал эту компоновку, команда General Atomics Doublet III переработала эту машину в D-IIID с D-образным поперечным сечением, и она была выбрана для японского JT-60 дизайн тоже. С тех пор эта раскладка стала в значительной степени универсальной.
Одна проблема, наблюдаемая во всех термоядерных реакторах, состоит в том, что присутствие более тяжелых элементов вызывает потерю энергии с повышенной скоростью, охлаждая плазму. На самом раннем этапе развития термоядерной энергии было найдено решение этой проблемы: дивертор, по сути, большой масс-спектрометр, который вызывал бы выброс более тяжелых элементов из реактора.. Первоначально он был частью конструкции стелларатора , где его легко интегрировать 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. Существуют материалы, которые могут выдерживать эту 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, небольшое кольцо из легкого металла, которое выступало в камеру так, чтобы плазма ударялась 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 иметь форму. Со временем это привело к идее использования полей для создания внутреннего дивертора, который выбрасывает более тяжелые элементы из топлива, как правило, в нижнюю часть реактора. Там лужа жидкого металла лития используется как своего рода ограничитель; частицы ударяются о него и быстро охлаждаются, оставаясь в литии. Этот внутренний бассейн намного легче охладить из-за его расположения, и хотя некоторые атомы лития попадают в плазму, его очень низкая масса делает его гораздо меньшей проблемой, чем даже самые легкие металлы, используемые ранее.
Когда машины начали исследовать эту плазму новой формы, они заметили, что определенные конфигурации полей и параметров плазмы иногда переходят в то, что теперь 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 имела неоднородную плотность, это приводило к возникновению внутренних электрических токов. Это известно как текущая загрузка. Это позволяет правильно спроектированному реактору генерировать часть внутреннего тока, необходимого для скручивания силовых линий магнитного поля, без необходимости его подачи от внешнего источника. Это имеет ряд преимуществ, и все современные разработки пытаются генерировать как можно большую часть своего общего тока с помощью процесса начальной загрузки.
К началу 1990-х годов сочетание этих и других характеристик в совокупности привело к появлению концепции «продвинутого токамака». Это составляет основу современных исследований, в том числе ИТЭР.
Токамаки подвержены событиям, известным как «сбои», которые приводят к потере изоляции за миллисекунды. Есть два основных механизма. В одном случае, «событие вертикального смещения» (VDE), вся плазма движется вертикально, пока не коснется верхней или нижней части вакуумной камеры. С другой стороны, «большие разрушения», длинноволновые, неосесимметричные магнитогидродинамические нестабильности заставляют плазму принимать несимметричные формы, часто сдавливаемые в верхнюю и нижнюю части камеры.
Когда плазма касается стенок сосуда, она подвергается быстрому охлаждению или «термическому тушению». В случае сильного разрушения это обычно сопровождается кратковременным увеличением тока плазмы по мере ее концентрации. Тушение в конечном итоге приводит к разрыву удержания плазмы. В случае серьезного сбоя ток снова падает, «гашение тока». Первоначального увеличения тока в VDE не наблюдается, а термическое и токовое гашение происходит одновременно. 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 в течение своего срока службы.
Для современных устройств с высокой энергией, где токи плазмы составляют порядка 15 мега ампер 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 релятивистской лавине убегающих электронов. Они сохраняют свою энергию, даже когда гашение тока происходит в основной части плазмы.
Когда удержание окончательно разрушается, эти убегающие электроны следуют по пути наименьшего сопротивления и ударяются о боковую сторону реактора. Они могут достигать 12 мегаампер тока на небольшой площади, что выходит за рамкивозможности любого механического решения. В одном известном случае Tokamak de Fontenay aux Roses имел серьезный сбой, когда убегающие электроны прожгли дыру в вакуумной камере.
Возникновение серьезных сбоев в работе токамаков всегда было высокого, порядкового уровня от общего количества выстрелов. В токамаках, эксплуатируемых в настоящее время, ущерб часто бывает большим, но редко значительным. В токамаке ИТЭР может возникнуть серьезное повреждение, которое может привести к повреждению камеры без возможности восстановления устройства. Разработка систем для противодействия влиянию убегающих электронов считается обязательной технологией для рабочего уровня ИТЭР.
Большая амплитуда центральной плотности тока также может привести к внутреннему сбоям, или зубья пилы, что обычно не приводит к прекращению разряда.
В работающем термоядерном реакторе часть генерируемой энергии будет служить для поддержания температуры плазмы в качестве вводятся свежий дейтерий и тий. При запуске реактора, используется или после временного останова, плазму необходимо нагреть до ее рабочей температуры более 10 кэВ (более 100 миллионов градусов Цельсия). В текущих экспериментах по магнитному синтезу на токамаках (и других) вырабатывается недостаточная энергия для поддержания температуры плазмы. Китайские исследователи создали Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в 2006 году, как полагают, поддерживает плазму 100 миллионов градусов Цельсия (на Солнце температура 15 миллионов градусов Цельсия), которая необходима для запуска синтеза атомами водорода, согласно последнему тесту, проведенному в ВОСТОК (тест проведен в ноябре 2018 года).
Индекс плазма электрический провод, можно нагревать плазму, индуцируя через нее ток; Дополнительный индуцированный ток, который обеспечивает большую часть полоидального поля.
Нагрев, вызванный индуцированным током, называется омическим (или резистивным) нагревом; это тот же вид механизма, который происходит в электрической лампочке или в электронагрев. 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.
Ток индуцируется постоянным увеличением тока через электромагнитную обмотку, соединенную с плазменным тором: плазму можно рассматривать как вторичную обмотку трансформатора. По сути, это импульсный процесс, поскольку существует ограничение через первичную обмотку (существуют также ограничения для длинных импульсов). Следовательно, токамаки должны либо работать в течение коротких периодов времени, либо полагаться на другие средства обогрева и тока.
Газ можно нагреть за счет внезапного сжатия. Точно так же температура плазмы увеличивается, если она быстро сжимается за счет увеличения ограничивающего магнитного поля. В токамаке это движение осуществляется перемещением плазмы в области с более высоким магнитным полем (то есть есть радиально внутрь). Смазки для ускорения использования плазмы сближает ионы, способ имеет дополнительное преимущество, облегчение достижения требуемой плотности для термоядерного реактора.
Магнитное напряжение в области исследований на раннем этапе «панического бегства токамаков» и было целью одной из основных разработок - ATC. Эта концепция не получила широкого распространения, хотя несколько похожая концепция является частью дизайна General Fusion.
Инжекция нейтрального луча включает введение высокоэнергетических (быстро присутствующих) или молекул в омически нагретую, магнитно удерживаемую плазму внутри токамака.
Атомы высокой энергии образуются в виде помещения в дуговой камере, а затем выводятся через сетку высокого напряжения. Термин «источник первичного» используется для обозначения узла, состоящего из набора излучающих электроныей, 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 происходит взаимодействие с током ионами плазмы. Это имеет два эффекта. Во-первых, введенные атомы повторно ионизируются и становятся заряженными, тем самым оказываясь в ловушке внутри реактора и увеличенной массы топлива. Во-вторых, процесс ионизации происходит в результате столкновения с остальной частью топлива, накапливают энергию в этом топливе, нагревая его.
В отличие от омического метода, этот вид не имеет ограничений по энергии (температура), но его скорость ограничена током в форсунках. Напряжения источников отрицательных источников обычно составляют 50–100 кВ, и для ИТЭР разрабатываются высоковольтные источники отрицательных источников (-1 МВ). Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР в Падуе станет первой установкой ИТЭР, которая начинается работу.
Хотя инжекция нейтрального пучка используется в качестве диагностического инструмента и для управления обратной связью, импульсный луч, состоящий из цепочки коротких вспышек луча длительностью 2–10 мс. Дейтерий является основным топливом для систем отопления с нейтральным пучком, а водород и гелий иногда используются для отдельных экспериментов.
Набор сверхчастотных ламп (84 ГГц и 118 ГГц) для системы плазмы электронно-циклотронными волнами на Токамаке с конфигурационной версией (TCV). Предоставлено SPC-EPFL. 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 заряженными частицами плазме, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими частями плазмы, тем самым повышая температуру плазмы в объеме. Существуют различные методы, включая нагрев с электронным циклотронным резонансом (ECRH) и нагрев с ионным циклотронным резонансом. Эта энергия обычно передается микроволнами.
Плазменные разряды внутри вакуумной камеры токамака состоят из заряженных и частиц, и энергия от этих частиц в конечном конечном итоге внутренней стенки камеры через излучение, столкновения или отсутствие заключения. Внутренняя стенка камеры имеет водяное охлаждение, и тепло от частиц отводится посредством проводимости через стенку к воде и конвекции нагретой воды к внешней системе охлаждения.
Турбомолекулярные или диффузионные насосы представляют частицы основного объема, а криогенные насосы, состоящие из поверхности, охлаждаемой жидким гелием, обладают эффективным контролем плотности во всем разряде, имеют энергию для конденсации в соответствующих. Если все сделано правильно, реакции производят большое количество высокоэнергетических нейтронов. Будучи электрически нейтральными и относительно маленькими, подвержены влиянию магнитных полей.
Поток нейтронов значительно снижен на границе границ нейтронной защиты, которая окружает токамак во всех направлениях. Материалы щита различаются, но, как правило, это материалы, состоящие из атомов, размер которых близок к нейтронам, поскольку они лучше всего поглощают нейтрон и его энергию. Подходящие материалы-кандидаты включают материалы с большим содержанием водорода, такие как вода и пластмассы. Атомы бора также являются хорошими поглотителями нейтронов. Таким образом, бетон и полиэтилен, легированный бором, являются недорогими материалами для защиты от нейтронов.
После освобождения нейтрон имеет относительно короткий период полураспада около 10 минут, прежде чем он распадется на протон и электрон с выделением 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.
(в хронологическом порядке начала работы)
Токамак à переменная конфигурации 
Внешний вид реактора NSTX 
БЩУ токамака Alcator C в MIT Центре плазменных исследований и термоядерного синтеза, примерно, в 1982–1983 гг. 
Строящийся в настоящее время ИТЭР будет самым большим токамаком на сегодняшний день. 
Портал ядерных технологий 
Энергетический портал  | На Викискладе есть материалы, связанные с Токамаками. |
 | Искать токамак в Викисловаре, бесплатном образов. |
