Tehnokrātiskā kustība. Tehnokrātiskā kustība Saīsināts nosaukums toroidālajai kamerai ar magnētiskām spolēm

Izskatās, ka pienācis laiks taisīt kaut kādu izglītojošu programmu par tokamaka fiziku un acīmredzot arī par fiziķiem. Ideja par kontrolētu kodoltermisko sadedzināšanu ar magnētisko izolāciju ir jau 60 gadus veca, un daudzi uzdod jautājumu "un kur tiek iztērēta atdeve pētniecībai?", "Kur ir apsolītais tīras un lētas enerģijas avots?". Ir pienācis laiks redzēt, kādi attaisnojumi šodien ir fiziķiem. Šajā rakstā es nepieskaršos citām instalācijām bez tokamakiem, bet mēs apskatīsim apkures problēmas, plazmas izolāciju, tās nestabilitāti, tritija audzēšanas problēmu, perspektīvas un pat kaut kur problēmas vēsturi.

Izglītības programma

Ja mēs ņemam 2 neitronus un 2 protonus un no tiem aklām hēlija atomu, mēs iegūstam daudz enerģijas. Vienkāršidaudz enerģijas - par katru iestrēgušā hēlija kilogramu - līdzvērtīgs sadedzināšanai 10 000 000 kilograms benzīna. Līdz ar šādām enerģijas satura mēroga izmaiņām mūsu intuīcija piekāpjas, un tas ir jāatceras, izgudrojot savu kodoltermiskās instalācijas versiju.

Starp citu, saule iet otrs kodoltermiskā reakcija uz Zemes nav atkārtojama.

Vienkāršākais veids, kā iegūt šo enerģiju, ir veikt kodolsintēzes (vai kodolsintēzes) reakciju D + T -> He4 + n + 17,6 MeV... Diemžēl atšķirībā no ķīmiskajām reakcijām tas nenonāk mēģenē. Bet labi sanāk, ja tritija un deitērija maisījumu uzkarsē līdz 100 miljoni grādiem. Tajā pašā laikā atomi sāk lidot tik ātri, ka sadursmes laikā tie pēc inerces izslīd cauri Kulona atgrūšanas zonai un saplūst kārotajā hēlijā. Enerģija izdalās, tā sakot, fragmentu veidā - ļoti ātra neitrona, nesot 80% enerģija un nedaudz mazāk ātrs hēlija kodols (alfa daļiņas). Protams, “darba” temperatūrā visa matērija ir plazma, t.i. atomi pastāv atsevišķi no elektroniem. Jebkurš nogulsnēts elektrons tiks zaudēts pirmajā šādas enerģētiski kustīgas vielas sadursmē.

Šajā brīdī katrs sevi cienošs popularizētājs ievieto šo attēlu.

Reakcijas ātrums (un attiecīgi arī enerģijas izdalīšanās) ir atkarīgs no diviem parametriem - temperatūras, tai vajadzētu būt ne mazāk kā ~ 50 milj C, bet labāk 100-150 un plazmas blīvumu. Ir skaidrs, ka blīvā plazmā deitērija un tritija atomu sadursmes iespējamība ir lielāka nekā retinātā.

Galvenā problēma ar šādu “reakcijas maisījumu” ir tā, ka tas atdziest ar brutālu ātrumu. Tik brutāli, ka viena no pirmajām problēmām bija vienkārši uzsildīt to vismaz par 1 mikrosekundi līdz lolotajiem 100 miljoniem. ņemat 10 miligramus ūdeņraža plazmas, pieliekat tai 10 megavatu sildīšanas jaudu... un tā nesasilst.

Plazmas sildīšana un tīrība

Korejas tokamaks KSTAR darbā. Plazmas aukstākās un netīrākās daļas mirdz.

Tīrā plazmā, karsējot ar karsēšanu, daļiņām līdz 70. gadu beigām izdevās sasniegt lolotos 100 miljonus grādu. Bet, ja mēs vēlamies iegūt instalāciju, kas dod elektrību, nevis aprij to trīs rīklēs, mums ir nepieciešama kodoltermiskā reakcija, lai atbrīvotu pietiekami daudz enerģijas, lai sasildītos. Vispārīgi runājot, kodoltermiskā sadegšana var darboties kā lielisks sildīšanas paliktnis, pat ārēja sildīšana nav nepieciešama. Šo režīmu sauc parplazmas aizdedze... Problēma ir tāda, ka tad, kad jūs noplūdīsit nedaudz vairāk vairāk siltuma, nekā gaidījām, mūsu kodoltermiskā reakcija nekavējoties izslēdzas, un viss atkal uzreiz atdziest. Bet kontrolei mēs varam izmantot ļoti nelielu daļu no siltuma, kas nāk no apkures sistēmām - perspektīvos reaktoros viņi vēlas panākt režīmu ar 1/50 kopējā jauda un ITER - 1/10 ... Koeficientu siltuma izdalīšanās no kodoltermiskās reakcijas un ievadītā siltuma attiecība ir apzīmēta ar burtu J.

Vēl no plazmas dzīves: kad stabilizācija sabojājas, mēs redzam, kā, pieskaroties sienām un atdzesējot, plazma ātri zaudē siltumu.

Kas nepieciešams, lai plazma dotu daudz kodoltermiskā siltuma? Kā jau teicu iepriekš - pietiekams blīvums, proti, 10 ^ 20-10 ^ 21 daļiņa uz kubikcentimetru. Šajā gadījumā enerģijas atbrīvošanas spēks būs vairāki (līdz 10) megavati uz kubikmetru plazmas... Bet, ja mēs palielinām plazmas blīvumu, tad palielinās tās spiediens - mūsu mērķim blīvuma un temperatūras ziņā tas būs ~ 5 atmosfēras... Uzdevums, lai šāda plazma neizkaisītu un neizkausētu instalāciju (un tajā pašā laikā tiešā siltuma pārnese uz sienām - mēs cīnāmies par katru džoulu!) Ir trešā un galvenā problēma.

Jaudas atdeve (megavati uz kubikmetru) pie dažāda blīvuma un temperatūras.

Magnētiskā aizture (ierobežojums).

Par laimi mums, plazma mijiedarbojas ar magnētisko lauku – tā kustas pa savām spēka līnijām, bet praktiski ne pa to. Ja jūs izveidojat tādu magnētisko lauku, kurā nav caurumu, tad plazma tajā riņķos mūžīgi. Nu jā, līdz atdziest, bet mums ir 100 milisekundes!

Vienkāršākā šāda lauka konfigurācija ir tors ar uz tā savērtas spoles, kurā plazma kustas pa apli. Šo konfigurāciju 1951. gadā izgudroja Saharovs un Tamms, un viņi to nosauca par " tokamaks”, t.i. tad roidāls ka mērīt no ma sapuvis Uz atushki. Lai izveidotu t.s. rotācijas transformācija (pārvietojoties pa apli, plazmai jāgriežas ap kustības asi, tas ir nepieciešams, lai nebūtu lādiņu atdalīšanas), plazmā ir jāinducē gredzena strāva, jo to ir viegli izdarīt, kopš plazmas toru var uzskatīt par transformatora pagriezienu, un pietiek ar strāvas maiņu “primārajā” tinumā, lai parādītos vēlamā strāva. Tātad toroidālajām spolēm tiek pievienots induktors vai centrālais solenoīds. Poloidālās spoles ir atbildīgas par toroidālā lauka papildu vērpšanu un kontroli, un tādējādi mēs iegūstam galīgo magnētiskā lauka versiju, kas satur plazmu. Turklāt magnētiskais lauks neļauj plazmai pārvietoties pa toru, kas rada spēcīgu temperatūras kritumu no centra uz malām. Šo stāvokli sauc par magnētisko norobežojumu.

Apmēram šādi teorētiķi redz ITER.

Vai jūs varat uzbūvēt kodolsintēzes spēkstaciju? Ne īsti….

Kā mēs atceramies, plazmas spiediens ir 5 atmosfēras. Ir skaidrs, ka magnētiskā lauka spiedienam nevajadzētu būt mazākam. Taču izrādās, ka pie salīdzināmām vērtībām plazma ir ārkārtīgi nestabila – tā sāk krasi mainīt savu formu, sasien mezglus un tiek mesta uz sienām. Pastāv šāda plazmas spiediena attiecība pret magnētiskā lauka spiedienu, ko apzīmē ar burtuβ ... Izrādās, ka vairāk vai mazāk darbības režīmi sākas ar β = 0,05-0,07, t.i. magnētiskā lauka spiedienam jābūt 15-20 reizes lielākam par plazmas spiedienu. Kad 70. gadu beigās kļuva skaidrs, ka šo attiecību nevar pārvarēt nekādā veidā, domāju, ka vairāk nekā viens kodoltermiskās fiziķis teica kaut ko līdzīgu “plazma, tu bezsirdīgā kuce”. Tieši šī nepieciešamība palielināt laukus 15-20 reizes pielika punktu idejai par "termonukleāro reaktoru katrā mājā". Mīļā, nolaid kodolsintēzes reaktoru, lāči ir karsti.

Plazmas kustības modelis tokamakā. Plazma ir ļoti nemierīga (traucēta), un tas palīdz tai ātrāk atdzist un izturēties nestabilāk.

Nestabilitāte

Ko nozīmē šī vajadzība palielināt lauku 15-20 reizes salīdzinot ar 50. gadu sapņiem? Pirmkārt, tas ir vienkārši neiespējami. Sākotnēji tokamaks bija redzams ar lauku 1,5-2 Tesla(un atbilstošais plazmas spiediens 10-15 atmosfēras) un β = 1, bet patiesībā, lai saturētu šādu plazmu, būtu nepieciešams lauks 30-40 Tesla... Tādas jomas nebija sasniedzamas 60. gados un arī mūsdienās ieraksts stacionārs lauks - 33 teslas tilpumā ar glāzi. Tehniskais ierobežojums ir noteikts ITER: plazmas tilpumā - 5-6 T un malā - 8-9 T. Attiecīgi plazmas spiediens un blīvums reālā iekārtā ir mazāks nekā tajā, kas bija. ieņemts 50. gados. Un reizes mazāk, tad ar apkuri viss ir daudz sliktāk. Un tā kā karsēšana ir sliktāka, plazma atdziest ātrāk un ... labi, jūs saprotat.

Taču ar siltuma noplūdi var tikt galā ļoti primitīvi – palielinot reaktora izmērus. Šajā gadījumā plazmas tilpums aug kā kubs, bet plazmas virsmas laukums, caur kuru izplūst enerģija, - kā kvadrāts. Rezultāts ir lineārs siltumizolācijas uzlabojums. Tāpēc, ja pasaulē pirmā tokamaka diametrs ir 80 cm, bet ITER diametrs ir ~ 16 metri un tilpums 10 000 reižu lielāks. Un ar to joprojām nepietiek rūpnieciskajam reaktoram.

Tokomakostroitel vienojas par "maz".

Vispārīgi runājot, kodoltermiskā plazma izrādījās ārkārtīgi vētraina viela, kurā nepārtraukti parādījās kaut kāda “dzīvība”, kaut kādas vibrācijas un vibrācijas, kas parasti ne pie kā laba neizraisīja. Tomēr mūsu ēras 82. gadā nejauši tika atklātas nestabilitātes, kas izraisīja strauju (2 reizes!) siltuma noplūdes samazināšanos no tora. Šo režīmu sauca par H režīmu, un tagad to plaši izmanto visi tokamaki. Starp citu, pati gredzena strāva, kas tiek radīta plazmā, lai to noturētu toroidālajā laukā, ir daudzu šo pašu nestabilitātes avots, t.sk. ļoti nepatīkami plazmas metieni uz augšu vai uz leju pa sienām. Cīņa par stabilu plazmas kontroli ievilkās aptuveni 30 gadus, un tagad, piemēram, ITER tiek plānots, ka tikai 5 palaišanas no 1000 beigsies ar kontroles kļūmēm.

Starp citu, cīņā par stabilitāti tokamaki kļuva vertikāli iegareni šķērsgriezumā no apaļajiem. Izrādījās, ka plazmas D formas sadaļa uzlabo tās uzvedību un ļauj palielināt beta. Tagad zināms, ka visvairāk liels darba beta un stabilākās plazmas - sfēriskos tokamakos (tiem ir maksimālais vertikālais pagarinājums līdz diametram), salīdzinoši jauns tokamaka konstrukcijas virziens. Varbūt viņu straujais progress novedīs pie tā, ka pirmā kodolelektrostacija tiks aprīkota tieši ar šādu mašīnu, nevis klasisku toru.

Sfēriskais tokamaks ir jauns iemesls, lai lūgtu vairāk naudas.

Neitroni un tritijs

Pēdējā tēma, kas jāapspriež, lai izprastu tokamaka fizikas problēmu mudžekli, ir neitroni. Kā jau teicu, visvieglāk sasniedzamajā reakcijā D + T -> He4 + n neitroni aiznes 80% enerģijas, kas izdalās hēlija kodola dzimšanas laikā. Neitroniem nerūp magnētiskais lauks un tie lido visos virzienos. Tajā pašā laikā tie paņem enerģiju, ko mēs plānojām izmantot plazmas sildīšanai. Tāpēc, starp citu, virziena dibinātāji vairāk domāja par reakciju D + D -> p (n) + T (He3), kurā neitroni aiznestu 15% enerģijas. Bet diemžēl D + D prasa 10 reizes augstāku temperatūru, 10 reizes lielāku laukumu vai 3 reizes lielāku reaktoru. Tātad, neitronu plūsma no kodolsintēzes reaktora zvērīgi. Tas par ~ simts reižu pārsniedz ātro reaktoru plūsmu ar tādu pašu enerģijas izdalīšanos, un pats galvenais, neitroni ar enerģiju 14,6 MeV ir daudz postošāki nekā ātro reaktoru neitroni ar enerģiju 0,5-1 MeV.

Šis ir ITER kameras šķērsgriezums pēc gada darba. Tsiferki - neitronu izraisītais starojums, Zīverts stundā. Tie. centrā 45700 R / h. Par laimi, tas nokrīt diezgan ātri.

No otras puses, neitroni ūdenī tiek diezgan spēcīgi palēnināti, un tos absorbē daudzi materiāli, t.i. mēs varēsim noņemt kodoltermiskās sadegšanas siltumenerģiju nevis ar plakanu virsmu, kas vērsta pret plazmu, bet ar ūdens apvalku ap to. Turklāt enerģētiskos neitronus var viegli pārvērst lielākā skaitā neitronu ar mazāku enerģiju (lidojot cauri, piemēram, berilija atomam, tie izsit vēl vienu neitronu, zaudējot enerģiju Be9 + n -> Be8 + 2n. Un šie neitroni var absorbēt litijs, pārveidojot to par Līdz ar to tiek noņemts jautājums “kur mēs ņemsim tritiju no sava reaktora.” ITER, starp citu, tiks pārbaudītas pat 6 eksperimentālās segas versijas, kurās tritijs tiks ražots no litija.Šīs pieredzējušās segas vienības var aizvērt līdz 10% ITER vajadzībām.

Testa vaislas segas (TBM) dizaina attēls. Neizskatās, ka tāda sega uztaisīs termokodolstaciju vienkāršāk.

Apkopojot

Šī visa morāle ir tāda, ka dabas likumi bieži vien nav zināmi iepriekš un var būt diezgan mānīgi. Tikai dažas nianses plazmas uzvedībā ir novedušas pie reaktora uzpūšanās, lai iegūtu enerģiju no galda ierīces uz milzīgu kompleksu 16 miljardu dolāru vērtībā. Interesantākais ir tas, ka izpratne par tokamaka izgatavošanu ar aizdedzi radās jau 80. gadu beigās, t.i. pēc 30 gadus ilgas plazmas izpētes. Piemēram, pirmais ITER projekts, kas tika izveidots 1996. gadā, bija aizdedzes reaktors ar 1,5 gigavatu siltuma jaudu. Tomēr kodolelektrostacija izrādījās tik pārmērīgi sarežģīta, ka bija nepieciešama ļoti liela mēroga iekārta, lai tā atmaksātos. Nu, piemēram, 10 gigavati. Un vismaz 10 šādu spēkstaciju celtniecība, lai samazinātu tokamaku būvniecības nozares izveides izmaksas. Šāds mērogs neiederējās nevienā pasaules enerģētikas sektorā, tāpēc tehnoloģija tika atlikta uz labākiem laikiem. Lai nezaudētu pamatus, tehnoloģijas, cilvēkus, politiķi vienojās par minimālo iespējamo finansējumu tēmai dārga starptautiska ITER būvniecības un duci daudz mazāku pētniecības objektu veidā. Šo tēriņu uzdevums ir ātri (labi, vismaz 15 gados) dabūt ārā no skapja tādu enerģijas alternatīvu, ja pēkšņi tā kādreiz ir vajadzīga...

Gaiša nākotne

Starp citu, par tehnoloģijas gatavību. Līdz šim maksimālais eksperimentāli sasniegtais Q = 0,7 1997. gadā JET objektā un konversija (mašīna darbojās ar deitēriju, nevis deitēriju-tritiju) JT-60U tokamakā Q = 1,2. Q = 10 ir plānots ITER un 50-100 rūpnieciskajam reaktoram. Jo augstāks Q, jo ekonomiskāka izrādās spēkstacija, taču, kā mēs tagad zinām, jo ​​grandiozāks ir tās reaktora stacijas izmērs, jo briesmīgāki ir tās magnēti un jo lielākas ir kādas no 10 miljoniem detaļu atteices izmaksas. kurā tiek samontēts moderns tokamaks ...

P.P.S. Ja kādam ir vajadzīga tokamaka fizikas mācību grāmata bez vienkāršojumiem, tad

Materiāls no Uncyclopedia

Zinātne jau daudzus gadus ir izstrādājusi problēmu, kas saistīta ar kodoltermisko reakciju izmantošanu enerģijas vajadzībām kā milzīgus enerģijas avotus. Ir izveidotas unikālas kodoltermiskās instalācijas - sarežģītākās tehniskās ierīces, kas paredzētas, lai pētītu iespēju iegūt kolosālu enerģiju, kas līdz šim izdalās tikai ūdeņraža bumbas sprādzienā. Zinātnieki cenšas iemācīties kontrolēt kodoltermiskās reakcijas gaitu - ūdeņraža izotopu (deitērija un tritija) savienošanās (sintēzes) reakciju ar hēlija kodolu veidošanos augstās temperatūrās, lai tās laikā atbrīvoto enerģiju izmantotu mierīgiem mērķiem. , cilvēku labā. Kodoltermiskās enerģijas vērtību var spriest pēc šāda salīdzinājuma: 1 g ūdeņraža izotopu iekļūšana sintēzē ir līdzvērtīga 10 tonnu benzīna sadegšanai.

Lai notiktu kodoltermiskā reakcija, ir nepieciešami vairāki nosacījumi. Temperatūrai zonā, kur notiek kodolsintēze, jābūt aptuveni 100 miljoniem grādu. Šajā temperatūrā reaģents pārvēršas plazmā - jonizētā gāzē, pozitīvo jonu un elektronu maisījumā. Tāpat nepieciešams, lai sintēzes laikā izdalītos vairāk enerģijas, nekā iztērētu vielas karsēšanai, vai arī lai sintēzes laikā radītās ātrās daļiņas pašas uzturētu nepieciešamo degvielas temperatūru. Šim nolūkam ir nepieciešams, lai sintēzē nonākošā viela būtu droši izolēta no apkārtējās un, protams, aukstās vides, tas ir, lai enerģijas saglabāšanas laiks būtu pietiekami ilgs (ne mazāks par 1 s). Enerģijas aiztures laiks ir atkarīgs no reaģējošās vielas blīvuma: reakcijas zonā plazmas blīvums jāuztur vismaz 100 tūkstoši miljardu daļiņu uz cm3.

Vistuvāk kontrolētai kodolsintēzei nepieciešamajiem apstākļiem bija iespējams ar padomju fiziķu izveidoto Tokamaka instalāciju palīdzību. Instalācijas nosaukums cēlies no vārdu saīsinājuma: Toroidālā CAMERA ar magnētiskajām spolēm. Uz Tokamaka darba vakuuma kameras, toroidālas (apļa) formas (skat. att.), tiek uzliktas spoles, radot spēcīgu (vairākas teslas) toroidālo magnētisko lauku. Kamera ar spolēm ir novietota uz dzelzs jūga un kalpo kā transformatora sekundārā spole. Mainoties strāvai primārajā tinumā, kas uztīts uz jūga, kamerā veidojas virpuļveida elektriskais lauks, notiek kameru aizpildošās darba gāzes sadalīšanās un jonizācija, un parādās toroidāls plazmas pavediens ar garenvirziena elektrisko strāvu. Šī strāva uzsilda plazmu, un tās magnētiskais lauks kopā ar spoļu lauku izolē plazmu no sienām.

Pretējas strāvas tiek atgrūstas, tāpēc plazmas cilpai ir tendence palielināt tā diametru. Lai kompensētu šo atgrūšanos, Tokamakam ir īpašas vadības cilpas, kas rada magnētisko lauku, kas ir perpendikulārs tora plaknei.

Šī lauka mijiedarbības rezultātā ar strāvu kvēldiega rezultātā rodas radiāls spēks, kas neļauj plazmas cilpai izplesties. Strāvu cilpās regulē īpaša automātiska sistēma, kas kontrolē plazmas vada kustību.

Plazmas elektriskā pretestība nepalielinās, palielinoties temperatūrai, kā tas ir citās vielās, bet samazinās, un pie noteiktas strāvas kvēldiega sildīšana samazinās. Ja mēs palielināsim strāvu Tokamakā virs noteiktas robežas, tad strāvas magnētiskais lauks kļūs pārāk liels, salīdzinot ar spoļu toroidālo lauku, vads sāks locīties un tiks izmests uz sienas. Tāpēc, lai uzsildītu plazmu līdz temperatūrai virs 10 miljoniem grādu Tokamakā, tiek izmantotas papildu sildīšanas metodes, injicējot (ievadot) plazmā ātro atomu starus vai ieviešot kamerā augstfrekvences elektromagnētiskos viļņus. Šajā gadījumā plazma Tokamakā jau ir uzkarsēta līdz 70 miljoniem grādu.

Lielu ieguldījumu Tokamaka sistēmu attīstībā sniedza padomju zinātnieku komanda akadēmiķa L.A. Artsimoviča vadībā, kurš pirmais veica šo instalāciju eksperimentālos pētījumus I. V. Kurčatova Atomenerģijas institūtā. 1968. gadā šajā institūtā pirmo reizi tika iegūta fizikālā kodoltermiskā reakcija. Kopš 1970. gadu sākuma. Tokamaka sistēmas sāka ieņemt vadošo lomu kontrolētās kodolsintēzes pētījumos citās pasaules valstīs - ASV, Francijā, Itālijā, Lielbritānijā, Vācijā un Japānā. Mūsu valstī ir izveidota lielākā šāda veida instalācija Tokamak-10.

Kodolenerģijas apgūšana ir svarīgs zinātnes un tehnoloģiju uzdevums. Ir pat grūti iedomāties, kā mainīsies visa enerģētikas nozare, enerģētikas sistēmas un veselas nozares, būvējot un izmantojot kodolelektrostacijas.

TOKAMAK(saīsināti no "toroidāla kamera ar magnētiskajām spolēm") - ierīce augstas temperatūras kameras uzturēšanai ar spēcīga magnēta palīdzību. lauki. T. ideju 1950. gadā izteica akadēmiķi I. E. Tamms un A. D. Saharovs; pirmie eksperimenti. šo sistēmu izpēte sākās 1956. gadā.

Ierīces darbības princips ir skaidri redzams attēlā. 1. Plazma tiek izveidota toroidālā vakuuma kamerā, kas kalpo kā viena slēgtā transformatora sekundārā tinuma cilpa. Izlaižot transformatora primārajā tinumā laikā pieaugošu strāvu 1 vakuuma kameras iekšpusē 5 tiek izveidots virpulis gareniskais elektriskais. lauks. Ja sākotnējā gāze nav ļoti liela (parasti tiek izmantots ūdeņradis vai tā izotopi), rodas tās elektrība. sabrukums un vakuuma kamera ir piepildīta ar plazmu, kam seko lielas gareniskās strāvas palielināšanās I lpp... Mūsdienu valodā liela T. strāva plazmā ir vairākas. miljons ampēru. Šī strāva rada savus poloidālos (plazmas šķērsgriezuma plaknē) magnētus. lauks V q. Turklāt plazmas stabilizēšanai tiek izmantots spēcīgs gareniskais magnēts. lauks In f izveidots ar īpašu. toroidālā magnēta tinumi. lauki. Tas ir toroidālo un poloidālo magnētu kombinācija. lauki nodrošina stabilu augstas temperatūras plazmas ieslodzījumu (sk. Toroidālās sistēmas) nepieciešams īstenot kontrolēta kodoltermiskā saplūšana.

Rīsi. 1. Tokamaka trase: 1 - primārais trans tinumsformētājs; 2 - toroidālās magnētiskā lauka spoles; 3 - odere, plānsienu iekšējā kamera izlīdzināšanaitoroidālā elektriskā lauka vītņošana; 4 - spoleki poloidālais magnētiskais lauks; 5 - vakuuma kamerara; b-dzelzs serde (magnētiskā ķēde).

Darbības ierobežojumi... Magn. lauks T. diezgan labi notur augstas temperatūras plazmu, bet tikai noteiktās tās parametru variācijas robežās. Pirmie 2 ierobežojumi attiecas uz plazmas strāvu I lpp un viņas sk. blīvums P, izteikts daļiņu (elektronu vai jonu) skaita vienībās 1 m 3. Izrādās, ka noteiktai toroidālā magn. laukā plazmas strāva nevar pārsniegt noteiktu robežvērtība, pretējā gadījumā plazmas pavediens sāk izlocīties pa spirālveida līniju un galu galā sabrūk: tā sauktais. pašreizējo traucējumu nestabilitāte. Lai raksturotu ierobežojošo strāvu, tiek izmantots koeficients. krājums q pēc spirālveida nestabilitātes, ko nosaka attiecība q = 5B j a 2 / RI lpp... Šeit a- mazs, R- liels plazmas vada rādiuss, B j - toroidālais magn. lauks, I lpp- strāva plazmā (izmēri tiek mērīti metros, magnētiskais lauks - teslās, strāva - MA). Nepieciešams nosacījums plazmas kolonnas stabilitātei ir nevienlīdzība q>], ko sauc. uz r un e r un e m K r u-s k a la - Šafranovs a. Eksperimenti liecina, ka uzticami stabils ieslodzījuma režīms tiek sasniegts tikai ar vērtībām.

Ir 2 blīvuma ierobežojumi - apakšējā un augšējā. Ņižs. blīvuma robeža ir saistīta ar tā saukto veidošanos. paātrināta, vai bēgošie elektroni... Pie zema blīvuma elektronu sadursmes ar joniem biežums kļūst nepietiekams, lai novērstu to pāreju uz nepārtraukta paātrinājuma režīmu garenvirziena elektriskajā. lauks. Līdz lielām enerģijām paātrināti elektroni var apdraudēt vakuuma kameras elementus, tāpēc plazmas blīvums tiek izvēlēts tik liels, lai tajā nebūtu paātrinātu elektronu. No otras puses, pie pietiekami liela blīvuma plazmas ieslodzījuma režīms atkal kļūst nestabils radiācijas un atomu procesu dēļ pie plazmas robežas, kas izraisa strāvas kanāla sašaurināšanos un spirālveida plazmas nestabilitātes attīstību. Tops. blīvuma robežu raksturo Mana vēžu bezizmēra parametri M = nR/B j un Hugella H = nqR/B j (šeit salīdziniet elektronu blīvumu n mēra vienībās 10 20 daļiņas / m 3). Lai nodrošinātu stabilu plazmas norobežojumu, ir nepieciešams, lai skaitļi M un H nepārsniedza noteiktas kritiskās vērtības. vērtības.

Kad plazma tiek uzkarsēta un tās spiediens tiek palielināts, parādās cita robeža, kas raksturo plazmas spiediena maksimālo stabilo vērtību, p = n (T e + T i), kur T e, T i- elektroniskā un jonu temperatūra. Šis ierobežojums tiek uzlikts vērtībai b, kas vienāda ar attiecību, sk. plazmas spiediens uz spiedienu magn. lauki; vienkāršotu izteiksmi ierobežojošajai vērtībai b dod Troyon relācija b c = gI p / aB j, kur g- skaitliskais koeficients, kas vienāds ar aptuveni 3. 10 -2.

Siltumizolācija... Iespēja sasildīt plazmu līdz ļoti augstām temperatūrām ir saistīta ar to, ka spēcīgā magnētā. trajektorijas lauks uzlādēts. daļiņas izskatās kā spirāles, kas uztītas uz magnētiskās līnijas. lauki. Pateicoties tam, elektroni un joni ilgstoši tiek turēti plazmā. Un tikai sadursmju un nelielu elektrisko svārstību dēļ. un magn. laukos, šo daļiņu enerģiju var pārnest uz sienām siltuma plūsmas veidā. Tie paši mehānismi nosaka difūzijas plūsmu lielumu. Magnēta efektivitāte plazmas siltumizolāciju raksturo enerģētiskā. mūžs t E = W/P, kur W ir plazmas kopējais enerģijas saturs, a P- plazmas sildīšanas jauda, ​​kas nepieciešama, lai to uzturētu stacionārā stāvoklī. Daudzums t E var uzskatīt arī par plazmas raksturīgo dzesēšanas laiku, ja pēkšņi tiek izslēgta sildīšanas jauda. Klusā plazmā daļiņu un siltuma plūsmas uz kameras sienām rodas elektronu un jonu pāru sadursmju dēļ. Šīs plūsmas tiek aprēķinātas teorētiski, ņemot vērā reālās lādiņa trajektorijas. daļiņas magn. lauks T. Attiecīgo difūzijas procesu teoriju sauc. neoklasicisms (sk. Pārsūtīšanas procesi Reālajā plazmā T. vienmēr ir nelielas lauku un daļiņu plūsmas svārstības, tāpēc reālie siltuma un daļiņu plūsmu līmeņi parasti ievērojami pārsniedz neoklasicisma prognozes. teoriju.

Eksperimenti, kas veikti ar daudziem T. decomp. formas un izmēri, ļāva apkopot pārneses mehānismu pētījumu rezultātus atbilstošas ​​empīriskās formās. atkarības. Jo īpaši tika konstatēta enerģijas atkarība. mūžs t E no galvenā. plazmas parametri dekomp. turiet mod. Šīs atkarības sauc. skeyl un ngam un; tos veiksmīgi izmanto, lai prognozētu plazmas parametrus tikko nodotās iekārtās.

Plazmas pašorganizācija... Plazmā T. vienmēr ir vāji nelineārie, kas ietekmē temperatūras, daļiņu blīvuma un strāvas blīvuma sadalījuma profilus pa rādiusu, it kā tos kontrolējot. Jo īpaši uz centru. plazmas vadu zonas ļoti bieži atrodas t.s. zāģa zoba svārstības, kas atspoguļo periodiski atkārtotu pakāpeniskas saasināšanās procesu un pēc tam strauju temperatūras profila izlīdzināšanos. Zāģa zoba svārstības neļauj strāvai sarauties ar magnētu. tora asis (sk. Gāzes izplūdes līgums)... Turklāt T ik pa laikam tiek ierosināti spirālveida režīmi (tā sauktie t un r un n g režīmi). vilcināšanās. Asarošanas režīmi palīdz izveidot stabilāku strāvas blīvuma sadalījumu pa rādiusu. Ja plazma tiek apstrādāta nepietiekami, plīsuma režīmi var pieaugt tik daudz, ka to izraisītie traucējumi ir lieli. lauki iznīcina magn. virsma visā plazmas vada tilpumā, magn. konfigurācija tiek iznīcināta, plazmas enerģija tiek izmesta uz sienām, un strāva plazmā apstājas tās spēcīgas dzesēšanas dēļ (sk. Asarošanas nestabilitāte).

Papildus šīm lielapjoma svārstībām ir arī svārstību režīmi, kas lokalizēti pie plazmas kolonnas robežas. Šie režīmi ir ļoti jutīgi pret plazmas stāvokli pašā perifērijā; to uzvedību sarežģī atomu procesi. Ārējais un starpt. vibrācijas režīmi var spēcīgi ietekmēt siltuma un daļiņu pārneses procesus, tie rada iespēju plazmai pāriet no viena magneto režīma. siltumizolācija uz otru un otrādi. Ja plazmā T. daļiņu ātruma sadalījums ļoti atšķiras no, tad pastāv iespēja attīstīties kinētikai. nestabilitātes. Piemēram, piedzimstot lielam skaitam bēguļojošu elektronu, t.s. ventilatora nestabilitāte, kas izraisa elektronu gareniskās enerģijas pārveidošanu šķērsvirzienā. Kinētiskā. nestabilitāte attīstās arī augstas enerģijas jonu klātbūtnē, kas rodas papildus. plazmas sildīšana.

Plazmas apkure... Jebkuras T. plazma tiek automātiski uzkarsēta ar džoula siltumu no caur to plūstošās strāvas. Džoula enerģijas izdalīšanās ir pietiekama, lai iegūtu vairāku temperatūru. miljons grādu. Kontrolētas kodolsintēzes vajadzībām ir vajadzīgas > 10 8 K temperatūras, tāpēc visas lielās T. tiek papildinātas ar jaudīgām sistēmām plazmas apkure... Šim nolūkam tiek izmantots vai nu elektromagnēts. viļņi sadalās. diapazonos vai virzīt ātras daļiņas plazmā. Augstfrekvences plazmas sildīšanai ir ērti izmantot rezonanses, kas atbilst iekšējai. šūpoties. procesi plazmā. Piemēram, jonu komponenta sildīšanu ir ērti veikt ciklotronu frekvenču vai pamata harmoniku diapazonā. plazmas joni vai īpaši atlasīti piedevu joni. Elektroni tiek uzkarsēti pie elektronu ciklotronu rezonanses.

Sildot jonus ar ātrām daļiņām, parasti tiek izmantoti spēcīgi neitrālu atomu stari. Šādi stari nesadarbojas ar magnētiem. laukā un iekļūst dziļi plazmā, kur tos jonizē un uztver magnēts. lauks T.

Ar papildu karsēšanas metožu palīdzību plazmas temperatūru T. var paaugstināt līdz> 3 · 10 8 K, kas ir pilnīgi pietiekami, lai notiktu spēcīga kodoltermiskā reakcija. Nākotnes T-reaktoros, kas tiek izstrādāti, plazmu karsēs augstas enerģijas alfa daļiņas, ko rada deitērija un tritija kodolu saplūšana.

Stacionārs tokamaks... Parasti strāva plazmā plūst tikai virpuļelektrības klātbūtnē. lauks, kas izveidots, palielinot magn. plūsma induktorā. Strāvas uzturēšanas indukcijas mehānisms ir ierobežots laikā, tāpēc tiek pulsēts atbilstošais plazmas ierobežošanas režīms. Taču impulsa režīms nav vienīgais iespējamais, strāvas uzturēšanai var izmantot arī plazmas sildīšanu, ja kopā ar enerģiju plazmā tiek pārnests arī impulss, kas dažādiem plazmas komponentiem ir atšķirīgs. Neinduktīvās strāvas uzturēšana tiek atvieglota, jo pati plazma ģenerē strāvu tās difūzijas izplešanās laikā uz sienām (bootstrap efekts). Bootstrap efekts tika prognozēts neoklasicisms. teoriju un pēc tam apstiprināja eksperimentāli. Eksperimenti liecina, ka plazmas T. var turēt nekustīgi, un Ch. centieni praktiski stacionārā režīma apgūšana ir vērsta uz strāvas uzturēšanas efektivitātes palielināšanu.

Divertors, piemaisījumu kontrole... Kontrolētas kodolsintēzes nolūkā ir nepieciešama ļoti tīra plazma, kuras pamatā ir ūdeņraža izotopi. Lai ierobežotu citu jonu piemaisījumu plazmā, T. sākumā plazmu ierobežoja t.s. l un m un erom (2. att., a), t.i., diafragma, kas neļauj plazmai nonākt saskarē ar kameras lielo virsmu. Mūsdienu valodā T., tiek izmantota daudz sarežģītāka divertora konfigurācija (2. att., b)ģenerē poloidālā magnija spoles. lauki. Šīs spoles ir nepieciešamas pat apļveida plazmai: ar to palīdzību tiek izveidota magnēta vertikālā sastāvdaļa. lauki, malas, mijiedarbojoties ar DOS. plazmas strāva neļauj plazmas cilpu izmest uz sienas liela rādiusa virzienā. Divertora konfigurācijā spoles poloidālā magn. lauki ir sakārtoti tā, lai plazmas šķērsgriezums būtu pagarināts vertikālā virzienā. Šajā gadījumā slēgtais magn. virsma tiek saglabāta tikai iekšpusē, ārpus tās spēka līnijas iet iekšā divertora kamerās, kur tiek neitralizētas no galvenās izplūstošās plazmas plūsmas. apjoms. Divertora kamerās ir iespējams mazināt plazmas slodzi uz divertora plāksnēm, pateicoties papildu plazmas dzesēšana atomu mijiedarbībā.

Rīsi. 2. Apļveida plazmas šķērsgriezums ( a) un vertikāli izstiepts, veidojot novirzītāja konfigurāciju ( 6): 1-plazma; 2- ierobežotājs; 3 - kameras siena; 4 - separatrikss; 5 - novirzītāja kamera; 6 - divertora plāksnes.

Tokamaka reaktors... Ch. T. instalāciju izpētes mērķis ir apgūt jēdzienu magn. plazmas ieslodzījums radībām kodolsintēzes reaktors... Uz T. iespējams izveidot stabilu augstas temperatūras plazmu ar termokodolreaktoram pietiekamu temperatūru un blīvumu; noteiktas likumsakarības plazmas siltumizolācijai; tiek apgūtas strāvas uzturēšanas un piemaisījumu līmeņa kontroles metodes. Darbs pie T. virzās no tīri fiziskas fāzes. pētniecība eksperimentālā izveides fāzē. ...

Apgaismots: Artsimovich L.A., Kontrolēts, 2. izdevums, M., 1963; Lukjanovs S. Yu., Karstā plazma un kontrolēta kodolsintēze, M., 1975; Kadomcevs B. B., Tokamaka plazma ir sarežģīta fiziska sistēma, L., 1992. B. B. Kadomcevs.

Tokamakā to notur nevis kameras sienas, kas nespēj izturēt termokodolreakcijām nepieciešamo temperatūru, bet gan īpaši izveidots kombinētais magnētiskais lauks - caur plazmas kolonnu plūstošs toroidālais ārējais un poloidālais strāvas lauks. Salīdzinājumā ar citām iekārtām, kas izmanto magnētisko lauku, lai ierobežotu plazmu, elektriskās strāvas izmantošana ir galvenā tokamaka iezīme. Plazmas strāva nodrošina plazmas sildīšanu un plazmas kolonnas līdzsvara saglabāšanu vakuuma kamerā. Šajā ziņā tokamaks jo īpaši atšķiras no stellaratora, kas ir viena no alternatīvajām norobežošanas shēmām, kurā gan toroidālais, gan poloidālais lauks tiek ģenerēts, izmantojot ārējās magnētiskās spoles.

Tokamaka reaktors pašlaik tiek izstrādāts starptautiskā zinātniskā projekta ITER ietvaros.

Koleģiāls YouTube

• 1 / 5

  Priekšlikumu par kontrolētas kodolsintēzes izmantošanu rūpnieciskiem nolūkiem un īpašu shēmu, izmantojot augstas temperatūras plazmas siltumizolāciju ar elektrisko lauku, pirmo reizi savā darbā formulēja padomju fiziķis O. A. Lavrentjevs 1950. gada vidū. Šis darbs kalpoja par katalizatoru padomju pētījumiem par kontrolētās kodolsintēzes problēmu. AD Saharovs un IE Tamms 1951. gadā ierosināja modificēt shēmu, piedāvājot teorētisko pamatu kodoltermiskajam reaktoram, kur plazmai būtu tora forma un to ierobežotu magnētiskais lauks. Tajā pašā laikā šo pašu ideju ierosināja amerikāņu zinātnieki, taču tā tika "aizmirsta" līdz 70. gadiem.

  Pašlaik tokamaks tiek uzskatīts par visdaudzsološāko ierīci kontrolētai kodolsintēzei.

  Ierīce

  Tokamaks ir toroidāla vakuuma kamera, uz kuras tiek uzvilktas spoles, lai izveidotu toroidālu magnētisko lauku. Vispirms no vakuuma kameras tiek izvadīts gaiss, un pēc tam to piepilda ar deitērija un tritija maisījumu. Pēc tam izmantojot induktors kamerā tiek izveidots virpuļveida elektriskais lauks. Induktors ir liela transformatora primārais tinums, kurā tokamaka kamera ir sekundārais tinums. Elektriskais lauks izraisa strāvas plūsmu un aizdegšanos plazmas kamerā.

  Caur plazmu plūstošā strāva kalpo diviem mērķiem:

  • silda plazmu tāpat kā jebkuru citu vadītāju (omiskā sildīšana);
  • rada ap sevi magnētisko lauku. Šo magnētisko lauku sauc poloidāls(tas ir, virzīts pa līnijām, kas iet cauri stabi sfēriskā koordinātu sistēma).

  Magnētiskais lauks saspiež strāvu, kas plūst caur plazmu. Rezultātā veidojas konfigurācija, kurā spirālveida magnētiskās spēka līnijas "aptinās" ap plazmas pavedienu. Šajā gadījumā solis rotācijas laikā toroidālā virzienā nesakrīt ar soli poloidālajā virzienā. Magnētiskās līnijas izrādās atvērtas, tās bezgalīgi daudzas reizes vijas ap toru, veidojot tā saucamās toroidālas formas "magnētiskās virsmas".

  Stabilai plazmas norobežošanai šādā sistēmā ir nepieciešama poloidālā lauka klātbūtne. Tā kā tas tiek izveidots, palielinot strāvu induktorā, un tā nevar būt bezgalīga, stabilas plazmas pastāvēšanas laiks klasiskajā tokamakā joprojām ir ierobežots līdz dažām sekundēm. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, ir izstrādātas papildu metodes strāvas uzturēšanai. Šim nolūkam var izmantot paātrinātu neitrālu deitērija vai tritija atomu ievadīšanu plazmā vai mikroviļņu starojumu.

  Papildus toroidālajām spolēm, papildu poloidālā lauka spoles... Tās ir apļveida cilpas ap tokamaka kameras vertikālo asi.

  Ar sildīšanu vien strāvas plūsmas dēļ nepietiek, lai uzsildītu plazmu līdz temperatūrai, kas nepieciešama kodoltermiskai reakcijai. Papildu karsēšanai izmanto mikroviļņu starojumu tā sauktajās rezonanses frekvencēs (piemēram, kas sakrīt ar elektronu vai jonu ciklotronu frekvenci) vai ātru neitrālu atomu injekciju.

  13. lekcija

  TOKAMAKA STRUKTŪRA UN DARBS

  Darbības princips, tokamaka shematiskā diagramma, iestatīšanas parametri, toroidālā plazmas pavediena stabilitāte, norobežojuma parametrs , enerģijas dzīves laiks.

  Darbības princips. Shematiska diagramma

  Pēdējā nodaļā mēs sīkāk aplūkosim tokamaka uzbūvi un īpašības - vissarežģītākās, bet, iespējams, vissvarīgākās plazmas instalācijas. Tieši ar tokamaku viņi tagad saista cerību uz kontrolētas kodoltermiskās kodolsintēzes praktisku ieviešanu. Kodolsintēzes reaktors-tokamaka ITER, ko pašlaik būvē starptautiskā sabiedrība, ir izšķirošs solis ceļā uz kodolsintēzes enerģijas izveidi līdz gadsimta vidum. Tokamak ir nosaukums TOKOVA Kamera instalācijai ar magnētiskajām spolēm, kas tika izveidota saskaņā ar IE Tamm un AD Saharova priekšlikumu pagājušā gadsimta vidū Kurčatova institūtā (G tika pārveidots par K ar raksturīgu līdzskaņu mīkstināšanu krievu valodā. ).

  Tokamaks ir transformators, kura sekundārais "tinums" ir plazmā radītā strāva. Magnētiskā siltumizolācija, ko nodrošina spēcīgs toroidālais magnētiskais lauks B   B t , kas kopā ar poloidālo lauku B   B p strāva I p izveido magnētiskā lauka līniju spirālveida konfigurāciju, kas nepieciešama, lai nomāktu plazmas toroidālo novirzi un uzturētu auklas stabilitāti (13.1.a att.). Vadošais apvalks (apvalks), kas parādīts 13.1. attēlā, arī kalpopasīvā stabilizācijaplazmas vada īstermiņa traucējumu laikā.

  Saistība starp apvalka biezumu un raksturīgo traucējumu laiku t 1/2 , ko slāpē korpusā radušās Fuko strāvas ar šādām magnētiskās plūsmas izmaiņām, nosaka ādas slāņa dziļums, ko praktiskās mērvienībās var attēlot ļoti noderīgas formulas veidā:.

  Šajā formulā apvalka materiāla pretestība attiecās uz vara pretestību pie 20 0 С, t 1/2 – Perturbācijas pusperiods.

  Strāvas ģenerēšana un uzturēšana plazmā tiek veikta, izmantojot induktors , kas, mainoties strāvai tajā, rada EML uz toroidālās assε = - d  / dt, kur  - magnētiskā plūsma plazmas gredzena iekšpusē ar strāvu. Gāzes, kas piepilda kameru, elektriskajam sadalījumam ir nepieciešama daudz lielāka vērtība nekā strāvas uzturēšanaiε, tādēļ, veidojot plazmu, strāva induktora tinumos būtiski mainās

  

  ātrāk nekā tās ilgstošas ​​uzturēšanas fāzē. Lai induktora lauks nesabojātu toroidālo lauku, kā arī plazmas noturēšanai nepieciešamo spirālveida magnētisko konfigurāciju, tiek izmantoti magnētiskie serdeņi, kas izgatavoti no materiāla ar augstu magnētisko caurlaidību (mīkstais magnētiskais dzelzs), kas aizver magnētisko plūsmu. ārpus induktora. Induktors var būt ar dzelzs serdi, vai ar gaisu - vispār neizmantojot dzelzi. Pēdējā gadījumā tiek uzstādītas poloidālās spoles, kas kompensē induktora lauku plazmas reģionā. Apļveida strāvas līdzsvars gareniskā (attiecībā pret to) magnētiskajā laukā tiek panākts, pieliekot papildu vertikālo magnētisko lauku B z radot spēku, kas vērsts uz sistēmas asi. Lauks B z radīja poloidālsvadības tinumi(9.1.b attēls). 9.2. attēlā parādīti tokamaka elektromagnētiskās sistēmas galvenie elementi un tās darbības ciklogramma. Papildus šiem tinumiem tokamakos papildus tiek uzstādītas spoles, lai nodrošinātu plazmas vertikālo līdzsvaru un magnētiskā lauka korekciju.

  Toroidālā plazmas vada stabilitāte

  Toroidālā plazmas pavediena stabilitāte ir iespējama tikai tad, ja ir izpildīts Kruskal-Šafranova kritērijs q = (a / R) (B t / B p)> 1 , kam plazmas strāva I lpp nedrīkst pārsniegt noteiktu vērtību. Patiešām, attiecības starp lauku un strāvu

  . (13.1)

  

  Attēls 13.2a Tokamaka elektromagnētiskā sistēma.

  kur es un es aksiālās simetrijas gadījumā izteiktas attiecīgi ostedos, centimetros un ampēros ( H ∙ 2  r = 0,4  I) dod laukam H = 0,2 I / r ... Ja tokamakam ir lielsaspekta attieksme A = R / a , tad, pirmajā tuvinājumā, poloidālais lauks pie plazmas kolonnas robežas B p  0,2 I p / a un q = (5 a 2 / R) (B p / I p)> 1

  Tādējādi strāvas stiprumam plazmā ir ierobežojumi.

  n. Mazām vērtībām n e  0,07j p , kur plazmas blīvums [m-3 ], un strāvas blīvums [MA / m 2 ].

  13.2.b att. Tokamaka darbības ciklogramma (kvalitatīvi): Dž.T – strāva toroidālā solenoīda spolēs, J un - strāva induktora tinumā, J p - plazmas strāva, J u.c. strāva vadības spolēs (palielinās, palielinoties T plazma).

  Citi ierobežojumi ir saistīti ar plazmas blīvumu n. Mazām vērtībām n virpuļlaukā E = ε / 2  R elektroni var pāriet paātrinājuma režīmā ("ieiet svilpē"). Plazmas koncentrāciju, kas ir kritiska šādam režīmam, nosaka Razumovaya kritērijs n e  0,07j p , kur plazmas blīvums [m-3 ], un strāvas blīvums [MA / m 2 ]. Tas ir, plazmas strāvas ierobežojums lineāri ir atkarīgs no tā koncentrācijas I p  ( ka 2 / 0,07) n e. Lieliem n ir arī blīvuma ierobežojums n MH  2 B t / qR (Murakami – Hugell limits), kas saistīts ar spēku līdzsvaru perifērajā plazmā. Pie liela blīvuma, kad plazmas zudumi starojuma un siltumvadītspējas dēļ sāk pārsniegt enerģijas izdalīšanos tajā caur plazmu plūstošās strāvas dēļ, notiek plazmas kolonnas kontrakcija (saspiešana).

  Vizuāli tokamaka darbības režīmu apgabalu ērti ilustrē tā sauktā Hugela-Murakami diagramma (13.3. att.). Uz tā blīvuma vietā gar abscisu tiek uzzīmēta vērtība proporcionāli tam tokamakam ar noteiktu lielu plazmas rādiusu un toroidālā lauka vērtību M = (R/B t) n (Murakami numurs). Reģions 1-2 atbilst Razumova robežai, kas saistīta ar bēguļojošiem elektroniem, apgabalu 2-3 nosaka MHD stabilitāte saskaņā ar Kruskal-Šafranova kritēriju,

  13.3. attēls. Tokamaka stabilu režīmu Hugela-Murakami diagramma.

  apgabals 3-4 ir Murakami blīvuma robeža. Enerģijas izdalīšanās plazmā, tajā plūstot strāvai, ir proporcionāla Q OH  I p 2 un radiācijas zudumi Q r  n 2 e ... No (13.1.) izriet, ka Q OH  [(B t / R) q] 2 un attiecība Q r / Q OH  n 2 (R / B t) 2 q 2  H 2. H numurs sauc par Hugela skaitli, vienlaikus saglabājot proporcionalitāti starp enerģijas izdalīšanos un starojumu ( H = mīnusi t) q -1 proporcionāls Murakami skaitam M ... Diagrammas 4-1 sadaļa atspoguļo šo proporcionalitāti.

  Kad plazma tiek uzkarsēta, rodas problēmas, kas saistītas ar plazmas kolonnas MHD līdzsvaru tokamakā. No plazmas līdzsvara stāvokļa MHD aproksimācijā kopējais plazmas spiediens un kvēldiega magnētiskais lauks ir jāsabalansē ar magnētiskā lauka spiedienu ārpus plazmas kvēldiega. Palielinoties temperatūrai, plazmas spiediens< P >= nkT augošs un attiecīgi augošs spēks F Rpl nepieciešams, lai noturētu šo plazmas "balonu", kas piepūšas zem iekšējā spiediena. Šo spēku var aptuveni novērtēt no darba pie balona izstiepšanas W< P >2  R  a 2, F Rpl = - dW / dR = = 2  2 a 2< P > ... Līdz ar to, palielinoties plazmas spiedienam, ir nepieciešams palielināt norobežojošo plazmu rādiusā R vertikālā mala B z ... Apskatīsim, kas šajā gadījumā notiek ar kopējo poloidālo lauku, kas ir pašreizējā lauka un ārējā vertikālā lauka summa B z ... Pieņemsim, ka lauks B z ir viendabīgs R , tad, lai nodrošinātu līdzsvaru, tam jāsakrīt ar strāvas lauku savā ārējā pusē, nostiprinot šo lauku. Iekšpusē lauks B Z vājina strāvas lauku, un, palielinoties plazmas spiedienam, ir iespējama situācija, kad, kaut kādā attālumā no tokamaka centra, tas pēdējo kompensē ar t.s. x - punkti ... Spēka līnijas ārpus tā ir atvērtas. Pieaugot spiedienam un attiecīgi laukam, kas nepieciešams plazmas saturēšanai B z x -punkts tuvojas plazmas kolonnai un plkst  = < p >/ (B 2  / 8 ) = R / a pieskaras tai, kas ļauj tai brīvi izplūst no iekārtas.

  Tas ir, par  < R / a (13.2)

  saglabāšana nav iespējama.

  

  Attēls 13.4 Pašreizējā lauka un vertikālā lauka superpozīcija, kas noved pie izskata x punkti.

  Turiet parametru .

  Poloidālā beta ierobežojums noved pie arī šī parametra kopējās vērtības ierobežojuma tokamakā. Pabeigts tiek atrasts, saskaitot toroidālā un poloidālā lauka vektorus, un ir vienāds ar

  Toroidālā lauka izteikšana poloidālā un stabilitātes robežas izteiksmē q = (a / R) (B t / B ) iegūstam

  Dots (13.2) beidzot mums ir:

  (13.3)

  Tā kā A un q lielāka par vienu, tad vērtība ierobežo no augšas, piemēram, priekš A = 3 un q = 2, kas aptuveni atbilst vērtībām, kas noteiktas kodolsintēzes reaktora projektos, pamatojoties uz tokamaku, saskaņā ar (13.3) max  0,08.

  Mēs uzskatījām tokamaku ar apļveida plazmas šķērsgriezumu, tomēr ITER reaktora projektā plazmas šķērsgriezums ir izstiepts pa vertikālo asi (13.5. att.). Tam ir vairāki iemesli. Pirmkārt, toroidālā solenoīdā D -Formas forma ar vienādu tinuma garumu un attiecīgi barošanu, var uzkrāt daudz vairāk magnētiskā lauka enerģijas, turklāt šāds solenoīds spēj izturēt daudz lielāku mehānisko spriegumu, kas rodas no spēcīgiem magnētiskajiem laukiem nekā solenoīds ar apaļām spolēm. Pietiek pieminēt, ka 0,5 T laukā iekšējais spiediens no lauka malas uz spolēm ir viena pārmērīga atmosfēra. Ņemot vērā, ka magnētiskais spiediens ir kvadrātiski atkarīgs no lauka, laukam 5T, kas nepieciešams reaktoram, iegūstam 100 reižu lielāku spiedienu. Spēks, kas iedarbojas uz vadītāja garuma vienību praktiskajā vienību sistēmā, ir vienāds ar:

  Sakarā ar to, ka lauks toroidālajā solenoīdā aug uz centru 1 / B t , dažādas spoles daļas ietekmē dažādi spēki, kas rada lieces momentu attiecībā pret spoles pagrieziena punktu. Kopējais spēks, kas iedarbojas uz spoli (skat. 13.5. attēlu), ir vērsts uz centru, to ir viegli novērtēt pēc uzkrātā tilpuma V kopējā enerģija W mag magnētiskais lauks: F R = - dW mag / dR  - (B 0 2/8 ) V  (B 0 2/8 ) 4  2 a 2 ... (Toroidālā solenoīda spoli var uzskatīt par plānu loku, kas nospiests pret iekšējo balstu). Tātad nosacījuma izpilde gr c = const, kur r - mainīgs spoles izliekuma rādiuss, ļauj izveidot t.sbezgriezes momenta spole, kas strauji palielina tā stiprības īpašības. Vienlaicīgi stāvoklis g (R, z) r c (R, z) = konst nosaka tādas spoles formu, kurai ir D formas skats.

  Enerģijas dzīves laiks

  Bet, izņemot "inženierijas", plazmas šķērsgriezumam, kas izstiepts pa vertikālo asi, ir būtiskas fiziskas priekšrocības ierobežotās plazmas parametru palielināšanai. Palielinoties pagarinājumam k = b / a (sk. 13.5. att.) vienam un tam pašam lielam rādiusam palielinās plazmas strāva un tās norobežošanās laiks.
  

  Stabilitātes robeža priekš

  necirkulāra plazma q (k)  q (1+ k 2) / 2 , kas saskaņā ar (13.1) ar tādu pašu stabilitātes rezervi ļauj iegūt lielas vērtības I lpp ... Mērogošana vai līdzības likums, kas iegūts no mērījumu rezultātiem daudzās instalācijās enerģijas kalpošanas laikā E dod šādu atkarību no plazmas strāvas un pagarinājuma E  I p 0,9 k 0,8 ... Tādējādi pieaugums k, ņemot vērā q (k) noved pie ievērojama pieauguma E.

  Cik daudz beta vērtība palielināsies, pārejot uz iegarenu posmu, var novērtēt, ja saucējā (13.3) R / a aizstāj ar 2  R / l, kur l Vai ir plazmas iegarenās daļas perimetra garums, kas ir aptuveni ( 1+ k) / 2 reizes apļa ar rādiusu apkārtmērs a.