tokamak ทำงานอย่างไร tokamak คืออะไร? เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์จะเปิดยุคใหม่สำหรับมนุษยชาติ

Tokamak (กล้อง TOroidal พร้อม Magnetic Coils) เป็นอุปกรณ์ Toroidal สำหรับการกักขังพลาสมาแม่เหล็ก พลาสมาไม่ได้จับที่ผนังของห้องซึ่งไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิได้ แต่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ คุณสมบัติของโทคามักคือการใช้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านพลาสมาเพื่อสร้างสนามโปโลดอลซึ่งจำเป็นต่อความสมดุลของพลาสมา นี่คือความแตกต่างจากดาวฤกษ์ซึ่งมีการสร้างทั้งสนาม toroidal และ poloidal โดยใช้ ขดลวดแม่เหล็ก.

ประวัติศาสตร์

คำว่า "tokamak" ได้รับการประกาศเกียรติคุณจากนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Igor Evgenievich Tamm และ Andrey Dmitrievich Sakharov ในยุค 50 เพื่อเป็นคำย่อของวลี "ห้องวงแหวนที่มีขดลวดแม่เหล็ก" tokamak ตัวแรกได้รับการพัฒนาภายใต้การนำของ Academician L.A. Artsimovich ที่ V.I. IV Kurchatov ในมอสโกและแสดงให้เห็นในปี 1968 ในโนโวซีบีร์สค์

ปัจจุบัน tokamak ถือเป็นอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม

อุปกรณ์

tokamak เป็นห้องสุญญากาศ toroidal ซึ่งขดลวดถูกพันเพื่อสร้าง (toroidal) สนามแม่เหล็ก... อากาศจะถูกอพยพออกจากห้องสุญญากาศก่อน จากนั้นจึงเติมด้วยส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม จากนั้นด้วยความช่วยเหลือของตัวเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนจะถูกสร้างขึ้นในห้อง ตัวเหนี่ยวนำเป็นขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงขนาดใหญ่ซึ่งห้องโทคามักเป็นขดลวดทุติยภูมิ สนามไฟฟ้าทำให้กระแสไหลและจุดไฟในห้องพลาสมา

กระแสที่ไหลผ่านพลาสมาทำหน้าที่สองประการ:

ให้ความร้อนแก่พลาสมาเช่นเดียวกับตัวนำอื่นๆ (การให้ความร้อนแบบโอห์มมิก)
- สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง สนามแม่เหล็กนี้เรียกว่าโพลอยด์ (นั่นคือ พุ่งไปตามเส้นที่ผ่านขั้วของระบบพิกัดทรงกลม)

สนามแม่เหล็กบีบอัดกระแสที่ไหลผ่านพลาสมา เป็นผลให้มีการจัดโครงแบบโดยที่เส้นแรงแม่เหล็กแบบขดลวด "พัน" รอบเส้นพลาสมา ในกรณีนี้ ขั้นระหว่างการหมุนในทิศทูรอยด์ไม่ตรงกับขั้นตอนในทิศทางโพลอยด์ เส้นแม่เหล็กเปิดออกพวกมันหมุนรอบพรูอย่างไม่สิ้นสุดหลายครั้งทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า Toroidal "พื้นผิวแม่เหล็ก"

การปรากฏตัวของสนาม poloidal เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกักขังพลาสมาที่เสถียรในระบบดังกล่าว เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นโดยการเพิ่มกระแสในตัวเหนี่ยวนำ และมันไม่สามารถไม่มีที่สิ้นสุด เวลาของการดำรงอยู่ของพลาสมาที่เสถียรในโทคามักแบบคลาสสิกจึงมีจำกัด เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด นี้ได้มีการพัฒนาวิธีการเพิ่มเติมในการรักษากระแส ด้วยเหตุนี้จึงสามารถใช้การฉีดเข้าไปในพลาสมาของอะตอมดิวเทอเรียมหรือไอโซโทปที่เป็นกลางแบบเร่งหรือรังสีไมโครเวฟได้

นอกจากขดลวด toroidal ขดลวดเพิ่มเติมของสนาม poloidal จะต้องควบคุมเส้นใยพลาสม่า เป็นวงวนรอบแกนตั้งของห้องโทคามัก

การให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวเนื่องจากกระแสไฟไม่เพียงพอที่จะทำให้พลาสมาร้อนจนถึงอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการนำความร้อนมาใช้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์... สำหรับความร้อนเพิ่มเติมจะใช้รังสีไมโครเวฟกับสิ่งที่เรียกว่า ความถี่เรโซแนนซ์ (เช่น ประจวบกับความถี่ไซโคลตรอนของอิเล็กตรอนหรือไอออน) หรือการฉีดอะตอมที่เป็นกลางอย่างรวดเร็ว

เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม

ดวงอาทิตย์เป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันตามธรรมชาติ

เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม (CTF) เป็นการสังเคราะห์นิวเคลียสของอะตอมที่หนักกว่าจากนิวเคลียสที่เบากว่าเพื่อให้ได้พลังงานซึ่งเป็นลักษณะที่ควบคุมได้ ตรงกันข้ามกับเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบระเบิด (ใช้ใน อาวุธแสนสาหัส). เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมนั้นแตกต่างจากพลังงานนิวเคลียร์แบบดั้งเดิมตรงที่พลังงานนิวเคลียร์แบบหลังใช้ปฏิกิริยาสลายตัว ในระหว่างนั้นจะได้นิวเคลียสที่เบากว่าจากนิวเคลียสหนัก ดิวเทอเรียม (2H) และทริเทียม (3H) และในอนาคตอันไกลโพ้น ฮีเลียม-3 (3He) จะถูกใช้ในปฏิกิริยานิวเคลียร์หลักที่วางแผนไว้ว่าจะใช้เพื่อดำเนินการหลอมรวมเทอร์โมนิวเคลียร์แบบควบคุม

ชะตากรรมของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่น

แนวคิดในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเกิดขึ้นในปี 1950 จากนั้นก็ตัดสินใจทิ้งมันไป เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถแก้ปัญหาทางเทคนิคมากมายได้ หลายทศวรรษผ่านไป ก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถ "บังคับ" เครื่องปฏิกรณ์ให้ผลิตพลังงานความร้อนนิวเคลียร์บางส่วนได้เป็นอย่างน้อย

แบบแผนของเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ (ITER)

การตัดสินใจออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ (ITER) เกิดขึ้นที่เจนีวาในปี 1985 โครงการนี้เกี่ยวข้องกับสหภาพโซเวียต ญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา ยุโรปเป็นหนึ่งเดียว และแคนาดา หลังปี 1991 คาซัคสถานเข้าร่วมผู้เข้าร่วม เป็นเวลา 10 ปีที่องค์ประกอบหลายอย่างของเครื่องปฏิกรณ์ในอนาคตได้รับการผลิตขึ้นที่องค์กรอุตสาหกรรมการทหารของประเทศที่พัฒนาแล้ว ตัวอย่างเช่น ญี่ปุ่นได้พัฒนาระบบหุ่นยนต์ที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งสามารถทำงานได้ภายในเครื่องปฏิกรณ์ มีการสร้างการติดตั้งเวอร์ชันเสมือนในรัสเซีย

ในปีพ.ศ. 2541 สหรัฐอเมริกาได้หยุดให้เงินสนับสนุนในการเข้าร่วมโครงการนี้ด้วยเหตุผลทางการเมือง หลังจากที่พรรครีพับลิกันขึ้นสู่อำนาจในประเทศและเกิดไฟฟ้าดับในแคลิฟอร์เนีย ฝ่ายบริหารของบุชได้ประกาศเพิ่มการลงทุนด้านพลังงาน สหรัฐอเมริกาไม่ได้ตั้งใจจะเข้าร่วมในโครงการระหว่างประเทศและมีส่วนร่วมในโครงการแสนสาหัสของตนเอง ในช่วงต้นปี 2545 ที่ปรึกษาด้านเทคโนโลยีของประธานาธิบดีบุช จอห์น มาร์เบอร์เกอร์ที่ 3 ประกาศว่าสหรัฐฯ ได้เปลี่ยนใจและตั้งใจจะกลับไปใช้โครงการนี้

ในแง่ของจำนวนผู้เข้าร่วม โครงการนี้เทียบได้กับโครงการทางวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติที่สำคัญอีกโครงการหนึ่ง - นานาชาติ สถานีอวกาศ... ค่าใช้จ่ายของ ITER ซึ่งก่อนหน้านี้มีมูลค่าถึง 8 พันล้านดอลลาร์แล้วมีจำนวนน้อยกว่า 4 พันล้านดอลลาร์ อันเป็นผลมาจากการถอนตัวจากการเป็นสมาชิกของสหรัฐอเมริกา จึงมีการตัดสินใจลดพลังงานเครื่องปฏิกรณ์จาก 1.5 GW เป็น 500 MW ดังนั้นราคาของโครงการจึงมี "น้ำหนักลด"

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2545 เมืองหลวงของรัสเซียเป็นเจ้าภาพการประชุมสัมมนา ITER Days ในมอสโก กล่าวถึงปัญหาทางทฤษฎี ทางปฏิบัติ และเชิงองค์กรในการฟื้นฟูโครงการ ซึ่งความสำเร็จนั้นสามารถเปลี่ยนชะตากรรมของมนุษยชาติได้ ชนิดใหม่พลังงานในแง่ของประสิทธิภาพและความประหยัดเปรียบได้กับพลังงานของดวงอาทิตย์เท่านั้น

หากผู้เข้าร่วมเห็นด้วยกับสถานที่ก่อสร้างของสถานีและเริ่มการก่อสร้างตามการคาดการณ์ของนักวิชาการ Velikhov ภายในปี 2010 จะได้รับพลาสมาตัวแรก จากนั้นจะเป็นไปได้ที่จะเริ่มการก่อสร้างโรงไฟฟ้าแสนสาหัสแห่งแรกซึ่งภายใต้สถานการณ์ที่เอื้ออำนวยสามารถให้กระแสไฟฟ้าครั้งแรกในปี 2573

ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2546 นักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับโครงการ ITER ได้รวมตัวกันในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. เพื่อกำหนดสถานที่ก่อสร้างในอนาคตในที่สุด สำนักข่าว FrancePress รายงานโดยอ้างถึงผู้เข้าร่วมการประชุมคนหนึ่งว่าการตัดสินใจถูกเลื่อนออกไปเป็นปี 2004 การเจรจาครั้งต่อไปเกี่ยวกับโครงการนี้จะมีขึ้นในเดือนพฤษภาคม 2547 ที่กรุงเวียนนา เครื่องปฏิกรณ์จะเริ่มสร้างขึ้นในปี 2549 และมีกำหนดจะเริ่มดำเนินการในปี 2557

หลักการทำงาน

ฟิวชั่นเป็นวิธีที่ประหยัดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการผลิตพลังงาน เป็นเวลาหลายพันล้านปีมาแล้วที่ความร้อนนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมไม่ได้เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ - ฮีเลียมก่อตัวขึ้นจากดิวเทอเรียมไอโซโทปไฮโดรเจนหนัก ในเวลาเดียวกัน พลังงานจำนวนมหาศาลก็ถูกปลดปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม บนโลกนี้ ผู้คนยังไม่ได้เรียนรู้วิธีจัดการกับปฏิกิริยาดังกล่าว

พลาสม่าในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน

ไอโซโทปไฮโดรเจนจะใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ ITER ระหว่างปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาเมื่ออะตอมของแสงรวมกันเป็นอะตอมที่หนักกว่า ในการทำเช่นนี้ คุณต้องทำให้แก๊สร้อนจนถึงอุณหภูมิเกิน 100 ล้านองศา ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิที่ใจกลางดวงอาทิตย์มาก แก๊สที่อุณหภูมินี้จะกลายเป็นพลาสม่า ในเวลาเดียวกัน อะตอมของไอโซโทปไฮโดรเจนรวมกันกลายเป็นอะตอมฮีเลียมด้วยการปล่อยนิวตรอนจำนวนมาก โรงไฟฟ้าที่ทำงานบนหลักการนี้จะใช้พลังงานของนิวตรอนที่กลั่นกรองด้วยชั้นของสสารหนาแน่น (ลิเธียม)

การก่อสร้างสถานีจะใช้เวลาอย่างน้อย 10 ปี และ 5 พันล้านดอลลาร์ ฝรั่งเศสและญี่ปุ่นกำลังแข่งขันกันเพื่อชิงสิทธิอันทรงเกียรติในการเป็นบ้านเกิดของยักษ์ใหญ่ด้านพลังงาน

สถานที่ก่อสร้าง

แคนาดา ญี่ปุ่น สเปน และฝรั่งเศส ได้เสนอข้อเสนอเพื่อค้นหาเครื่องปฏิกรณ์ในอาณาเขตของตน

แคนาดาแสดงให้เห็นถึงความจำเป็นในการวางเครื่องปฏิกรณ์ในอาณาเขตของตนโดยข้อเท็จจริงที่ว่ามันอยู่ในประเทศนี้ที่มีสำรองไอโซโทปที่สำคัญซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานนิวเคลียร์ การสร้างเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์จะทำให้สามารถกำจัดทิ้งได้

ในญี่ปุ่น ตามรายงานจากสำนักข่าว Kyodo Tsushin สามจังหวัดกำลังต่อสู้อย่างสุดกำลังเพื่อสิทธิที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์ที่บ้าน ในเวลาเดียวกัน ชาวเกาะทางเหนือของเกาะฮอกไกโดคัดค้านการก่อสร้างเกาะนี้บนที่ดินของพวกเขา

พฤศจิกายนนี้ สหภาพยุโรปแนะนำ เมืองฝรั่งเศส Cadarache เป็นสถานที่ก่อสร้างในอนาคต อย่างไรก็ตาม เป็นการยากที่จะคาดเดาว่าผลโหวตจะเป็นอย่างไร เป็นที่คาดหวังว่าผู้เชี่ยวชาญจะตัดสินใจบนพื้นฐานของวัตถุประสงค์ล้วนๆ ข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์อย่างไรก็ตาม เสียงหวือหวาทางการเมืองก็อาจส่งผลต่อการลงคะแนนได้เช่นกัน สหรัฐฯ ได้ออกมาคัดค้านการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ให้กับฝรั่งเศสแล้ว โดยระลึกถึงพฤติกรรมที่แตกแยกระหว่างความขัดแย้งในอิรัก

“เรามีโครงสร้างทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค ความสามารถ และประสบการณ์อยู่แล้ว ซึ่งรับประกันได้ว่าเราจะบรรลุเป้าหมาย” รัฐมนตรีกระทรวงวิจัยของฝรั่งเศสกล่าว

ญี่ปุ่นก็มีข้อดีหลายประการเช่นกัน - Rokkasho-mura ตั้งอยู่ติดกับท่าเรือและติดกับฐานทัพทหารสหรัฐฯ นอกจากนี้ ชาวญี่ปุ่นพร้อมที่จะลงทุนเงินในโครงการนี้มากกว่าฝรั่งเศส “หากเลือกญี่ปุ่น เราจะรับผิดชอบค่าใช้จ่ายที่จำเป็นทั้งหมด” รัฐมนตรีกระทรวงวิทยาศาสตร์และการศึกษาของญี่ปุ่นกล่าว

โฆษกรัฐบาลฝรั่งเศสกล่าวกับผู้สื่อข่าวว่าก่อนการประชุม เขาจัด “การเจรจาอย่างเข้มข้นเกี่ยวกับ ระดับสูง". อย่างไรก็ตาม ตามรายงานบางฉบับ ทุกประเทศ ยกเว้นสหภาพยุโรป ชอบญี่ปุ่นมากกว่าฝรั่งเศส

ความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อม

นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าการติดตั้งใหม่นั้นเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าการติดตั้งในปัจจุบัน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์... โรงงาน ITER ผลิตฮีเลียมเป็นเชื้อเพลิงใช้แล้ว ไม่ใช่ไอโซโทป ซึ่งต้องเก็บไว้ในห้องเก็บพิเศษมานานหลายทศวรรษ

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการสำรองเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้าดังกล่าวแทบจะไม่มีวันหมด - ดิวเทอเรียมและไอโซโทปถูกสกัดได้ง่ายจาก น้ำทะเล... ไอโซโทป 1 กิโลกรัมสามารถปลดปล่อยพลังงานได้มากเท่ากับเชื้อเพลิงฟอสซิล 10 ล้านกิโลกรัม

Tokamak (ช่อง toroidal ที่มีขดลวดแม่เหล็ก) เป็นอุปกรณ์ Toroidal สำหรับการกักขังพลาสมาแม่เหล็กเพื่อให้ได้เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการไหลของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม พลาสมาใน tokamak ไม่ได้จับอยู่ที่ผนังของห้องซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิได้จนถึงขีด จำกัด บางอย่างเท่านั้น แต่ด้วยสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ เมื่อเทียบกับการติดตั้งอื่นๆ ที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดพลาสมา คุณลักษณะของ tokamak คือการใช้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านพลาสม่าเพื่อสร้างสนามโพลอยด์ที่จำเป็นสำหรับการบีบอัด การให้ความร้อน และการรักษาสมดุลของพลาสมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องนี้ มันแตกต่างจากดาวฤกษ์ ซึ่งเป็นหนึ่งในรูปแบบการกักขังทางเลือก ซึ่งทั้งสนาม toroidal และ poloidal ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ขดลวดแม่เหล็ก แต่เนื่องจากพลาสมาฟิลาเมนต์เป็นตัวอย่างของความสมดุลที่ไม่เสถียร โปรเจ็กต์ tokamak ยังไม่ได้ดำเนินการ และอยู่ในขั้นตอนของการทดลองที่มีราคาแพงมากเพื่อทำให้การติดตั้งซับซ้อน

นอกจากนี้ ควรสังเกตด้วยว่า Tokamak ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์แบบฟิชไซล์ (ซึ่งแต่เดิมได้รับการออกแบบและพัฒนาแยกกันในประเทศของตน) ช่วงเวลานี้ร่วมกันพัฒนาภายใต้กรอบของสากล โครงการวิทยาศาสตร์ไอเตอร์.

สนามแม่เหล็กและฟลักซ์ของ Tokamak

ประวัติศาสตร์

แสตมป์ของสหภาพโซเวียต พ.ศ. 2530

ข้อเสนอสำหรับการใช้เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและโครงการเฉพาะโดยใช้ฉนวนความร้อนของพลาสมาอุณหภูมิสูง สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์โซเวียต OA Lavrent'ev ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 งานนี้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการวิจัยของสหภาพโซเวียตเกี่ยวกับปัญหาของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม A. D. Sakharov และ I. E. Tamm ในปี 1951 เสนอให้แก้ไขโครงการโดยเสนอ พื้นฐานทางทฤษฎีเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ โดยที่พลาสมาจะมีรูปร่างเป็นพรูและถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็ก

คำว่า "tokamak" ได้รับการประกาศเกียรติคุณในภายหลังโดย Igor Nikolaevich Golovin นักศึกษาของนักวิชาการ Kurchatov ในขั้นต้น ฟังดูเหมือน "tokamag" ซึ่งเป็นคำย่อของคำว่า "magnetic toroidal chamber" แต่ N. A. Yavlinsky ผู้เขียนระบบ toroidal ตัวแรก แนะนำให้แทนที่ "-mag" ด้วย "-mak" เพื่อความไพเราะ ต่อมามีการยืมชื่อนี้ในหลายภาษา

tokamak แรกถูกสร้างขึ้นในปี 1955 และ tokamak เป็นเวลานานมีอยู่ในสหภาพโซเวียตเท่านั้น หลังจากปี 1968 เท่านั้น เมื่ออยู่บนโทคามัก T-3 ซึ่งสร้างขึ้นที่สถาบันพลังงานปรมาณู IV Kurchatov ภายใต้การนำของ Academician L.A. Artsimovich มีอุณหภูมิพลาสม่าถึง 10 ล้านองศาและนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษพร้อมอุปกรณ์ยืนยันความจริงข้อนี้ซึ่งในตอนแรกปฏิเสธที่จะเชื่อ tokamaks ที่แท้จริงเริ่มขึ้นในโลก เริ่มต้นในปี 1973 Boris Borisovich Kadomtsev เป็นหัวหน้าโครงการวิจัยฟิสิกส์พลาสม่าเกี่ยวกับ tokamaks

ปัจจุบัน tokamak ถือเป็นอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม

อุปกรณ์

โทคามักเป็นห้องสุญญากาศแบบวงแหวนซึ่งขดลวดถูกพันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแบบวงแหวน อากาศจะถูกอพยพออกจากห้องสุญญากาศก่อน จากนั้นจึงเติมด้วยส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม จากนั้นจึงสร้างสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนในห้องเพาะเลี้ยงโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำเป็นขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงขนาดใหญ่ซึ่งห้องโทคามักเป็นขดลวดทุติยภูมิ สนามไฟฟ้าทำให้กระแสไหลและจุดไฟในห้องพลาสมา

กระแสที่ไหลผ่านพลาสมาทำหน้าที่สองประการ:

ให้ความร้อนกับพลาสม่าในลักษณะเดียวกับตัวนำอื่น ๆ (การให้ความร้อนแบบโอห์มมิก);

สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง สนามแม่เหล็กนี้เรียกว่าโพลอยด์ (นั่นคือ พุ่งไปตามเส้นที่ผ่านขั้วของระบบพิกัดทรงกลม)

สนามแม่เหล็กบีบอัดกระแสที่ไหลผ่านพลาสมา เป็นผลให้มีการจัดโครงแบบโดยที่เส้นแรงแม่เหล็กแบบขดลวด "พัน" รอบเส้นพลาสมา ในกรณีนี้ ขั้นระหว่างการหมุนในทิศทูรอยด์ไม่ตรงกับขั้นตอนในทิศทางโพลอยด์ เส้นแม่เหล็กเปิดออก พวกมันหมุนรอบพรูหลายครั้งจนนับไม่ถ้วน ก่อตัวเป็น "พื้นผิวแม่เหล็ก" ที่เรียกว่ารูปทรงวงแหวน

การปรากฏตัวของสนาม poloidal เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกักขังพลาสมาที่เสถียรในระบบดังกล่าว เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นโดยการเพิ่มกระแสในตัวเหนี่ยวนำ และมันไม่สามารถไม่มีที่สิ้นสุด เวลาของการดำรงอยู่ของพลาสมาที่เสถียรในโทคามักแบบคลาสสิกจึงมีจำกัด เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด นี้ได้มีการพัฒนาวิธีการเพิ่มเติมในการรักษากระแส ด้วยเหตุนี้จึงสามารถใช้การฉีดเข้าไปในพลาสมาของอะตอมดิวเทอเรียมหรือไอโซโทปที่เป็นกลางแบบเร่งหรือรังสีไมโครเวฟได้

นอกจากขดลวด toroidal ขดลวดเพิ่มเติมของสนาม poloidal จะต้องควบคุมเส้นใยพลาสม่า เป็นวงวนรอบแกนตั้งของห้องโทคามัก

การให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวเนื่องจากกระแสไฟไม่เพียงพอที่จะทำให้พลาสมาร้อนจนถึงอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ สำหรับการให้ความร้อนเพิ่มเติม รังสีไมโครเวฟจะถูกใช้ที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่เรียกว่าความถี่เรโซแนนซ์ (เช่น ประจวบกับความถี่ไซโคลตรอนของอิเล็กตรอนหรือไอออน) หรือการฉีดอะตอมที่เป็นกลางอย่างรวดเร็ว

Tokamaks และลักษณะของพวกเขา

โดยรวมแล้วมีโทคามักประมาณ 300 อันถูกสร้างขึ้นในโลก ที่ใหญ่ที่สุดของพวกเขามีการระบุไว้ด้านล่าง

สหภาพโซเวียตและรัสเซีย

T-3 เป็นเครื่องมือการทำงานเครื่องแรก

T-4 - รุ่นขยายของ T-3

T-7 คือการติดตั้งที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งเป็นครั้งแรกในโลกที่มีระบบแม่เหล็กขนาดค่อนข้างใหญ่พร้อมโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดที่มีพื้นฐานจากดีบุกไนโอเบตที่ระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว ภารกิจหลักของ T-7 สำเร็จลุล่วงแล้ว: มีการเตรียมพร้อมสำหรับโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดรุ่นต่อไปสำหรับวิศวกรรมพลังงานแสนสาหัส

T-10 และ PLT เป็นขั้นตอนต่อไปในโลกของการวิจัยเทอร์โมนิวเคลียร์ พวกมันเกือบจะมีขนาดเท่ากัน กำลังเท่ากัน โดยมีปัจจัยการกักเก็บที่เท่ากัน และผลลัพธ์ที่ได้ก็เหมือนกัน: ในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองเครื่อง อุณหภูมิของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันไปถึงแล้ว และงานที่ค้างตามเกณฑ์ของลอว์สันคือ 200 เท่า

T-15 เป็นเครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบันที่มีโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดที่ให้สนามการเหนี่ยวนำ 3.6 ต.

จีน

ตะวันออก - ตั้งอยู่ในเมืองเหอเฟย มณฑลอานฮุย tokamak เกินเกณฑ์ระดับการจุดระเบิดของ Lawson ปัจจัยผลผลิตพลังงานคือ 1.25

ต้นฉบับนำมาจาก พลังงาน ในวิชาฟิสิกส์ของโทกามัคบนนิ้ว

ดูเหมือนว่าถึงเวลาต้องทำโปรแกรมการศึกษาเกี่ยวกับฟิสิกส์โทคามักและนักฟิสิกส์ด้วยเช่นกัน แนวคิดในการดำเนินการควบคุมการเผาไหม้ด้วยความร้อนนิวเคลียร์แสนสาหัสที่มีการกักขังด้วยแม่เหล็กนั้นมีอายุ 60 ปี และหลายคนกำลังถามคำถามว่า "และผลตอบแทนจากการวิจัยอยู่ที่ไหน", "แหล่งพลังงานสะอาดและราคาถูกที่สัญญาไว้อยู่ที่ไหน" ถึงเวลาที่จะดูว่านักฟิสิกส์มีข้อแก้ตัวอะไรในวันนี้ ในบทความนี้ ฉันจะไม่พูดถึงการติดตั้งอื่น ๆ นอกเหนือจาก tokamaks แต่เราจะพิจารณาปัญหาเรื่องความร้อน การกักขังพลาสมา ความไม่เสถียร ปัญหาการผสมพันธุ์ไอโซโทป โอกาส และแม้แต่ประวัติของปัญหาที่ไหนสักแห่ง

โปรแกรมการศึกษา

ถ้าเราเอา 2 นิวตรอนและ 2 โปรตอน และทำให้อะตอมฮีเลียมตาบอดจากพวกมัน เราจะได้พลังงานจำนวนมาก แค่พลังงานมากมาย - จากฮีเลียมที่ติดอยู่แต่ละกิโลกรัม - เทียบเท่ากับการเผาไหม้ 10 000 000 กิโลกรัมของน้ำมันเบนซิน ด้วยการเปลี่ยนแปลงในระดับของปริมาณพลังงาน สัญชาตญาณของเราก็ยอมจำนน และเราต้องจำสิ่งนี้ไว้เมื่อต้องสร้างการติดตั้งเทอร์โมนิวเคลียร์ในเวอร์ชันของคุณเอง

อนึ่ง พระอาทิตย์กำลังจะลับขอบฟ้า อื่น ๆปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ไม่สามารถทำซ้ำได้บนโลก

วิธีที่ง่ายที่สุดในการรับพลังงานนี้คือการทำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (หรือฟิวชัน) D + T -> He4 + n + 17.6 MeV... น่าเสียดายที่ไม่เหมือน ปฏิกริยาเคมี, ไม่เข้าหลอดทดลอง แต่จะไปได้ดีถ้าส่วนผสมของทริเทียมและดิวเทอเรียมถูกทำให้ร้อนถึง 100 ล้านองศา ในเวลาเดียวกัน อะตอมเริ่มบินเร็วมากจนในระหว่างการชน ด้วยความเฉื่อย พวกมันจะเคลื่อนผ่านโซนของคูลอมบ์ผลักไสและรวมเข้ากับฮีเลียมที่เป็นเจ้าข้าวเจ้าของ พลังงานถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของชิ้นส่วน - นิวตรอนที่เร็วมาก เอา 80%พลังงาน และนิวเคลียสฮีเลียมที่เร็วน้อยกว่าเล็กน้อย (อนุภาคอัลฟา) แน่นอน ที่อุณหภูมิ "ทำงาน" สสารทั้งหมดคือพลาสมา นั่นคือ อะตอมมีอยู่แยกจากอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนที่สะสมไว้จะหายไปในการชนกันครั้งแรกของสสารที่เคลื่อนที่อย่างกระฉับกระเฉง

ณ จุดนี้ผู้เผยแพร่ที่เคารพตนเองทุกคนจะแทรกรูปภาพนี้

อัตราการเกิดปฏิกิริยา (และตามการปล่อยพลังงาน) ขึ้นอยู่กับสองพารามิเตอร์ - อุณหภูมิ มันควรจะเป็น ไม่น้อยกว่า ~ 50 ล้าน C และดีกว่า 100-150และความหนาแน่นของพลาสมา เป็นที่ชัดเจนว่าในพลาสมาหนาแน่นความน่าจะเป็นของการชนกันของอะตอมดิวเทอเรียมและทริเทียมนั้นสูงกว่าของแรร์ไฟด์

ปัญหาหลักของ "ส่วนผสมของปฏิกิริยา" ดังกล่าวคือการทำให้เย็นลงในอัตราที่โหดเหี้ยม โหดร้ายมากจนปัญหาแรกคือทำให้ร้อนขึ้นอย่างน้อย 1 ไมโครวินาที ให้เหลือ 100 ล้านคน คุณใช้พลาสมาไฮโดรเจน 10 มิลลิกรัมใช้ความร้อน 10 เมกะวัตต์กับมัน ... และมันไม่ร้อนขึ้น

ความร้อนและความบริสุทธิ์ของพลาสม่า

เกาหลี tokamak KSTAR ในที่ทำงาน ส่วนที่เย็นที่สุดและสกปรกที่สุดของพลาสมาเรืองแสง

ในพลาสมาบริสุทธิ์โดยการให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีคลื่นความถี่วิทยุ การฉีดอนุภาคที่เป็นกลางอย่างรวดเร็วในช่วงปลายยุค 70 เป็นไปได้ที่จะไปถึง 100 ล้านองศาอันเป็นที่รัก แต่ถ้าเราต้องการได้อุปกรณ์ติดตั้งที่ให้กระแสไฟฟ้า และไม่กินมันในสามคอ เราจำเป็นต้องมีปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เพื่อปลดปล่อยพลังงานมากพอที่จะทำให้ตัวมันอุ่นขึ้น โดยทั่วไปแล้ว การเผาไหม้แบบเทอร์โมนิวเคลียร์สามารถทำหน้าที่เป็นแผ่นทำความร้อนที่ดีเยี่ยม แม้จะไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนจากภายนอก โหมดนี้เรียกว่าพลาสม่าจุดระเบิด... ปัญหาคือเมื่อคุณรั่วไหลเล็ก ๆ น้อย ๆ ความร้อนมากกว่าที่เราคาดไว้ ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ของเราจะดับลงในทันที และทุกอย่างก็เย็นลงทันทีอีกครั้ง แต่สำหรับการควบคุม เราสามารถใช้ความร้อนเพียงเล็กน้อยที่มาจากระบบทำความร้อน ในเครื่องปฏิกรณ์ที่มีแนวโน้มว่าพวกเขาต้องการบรรลุระบอบการปกครองด้วย 1/50 ความจุทั้งหมดและใน ITER - 1/10 ... สัมประสิทธิ์ของอัตราส่วนการปลดปล่อยความร้อนจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ต่อความร้อนที่ป้อนเข้านั้นเขียนแทนด้วยตัวอักษร NS.

เพิ่มเติมจากชีวิตของพลาสม่า: เมื่อการรักษาเสถียรภาพพังทลาย เราเห็นวิธีการสัมผัสผนังและการระบายความร้อน พลาสม่าสูญเสียความร้อนอย่างรวดเร็ว

อะไรคือสิ่งที่จำเป็นสำหรับพลาสมาเพื่อให้ความร้อนจากนิวเคลียร์แสนสาหัส? ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น - ความหนาแน่นเพียงพอคือ 10 ^ 20-10 ^ 21 อนุภาคต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร... ในกรณีนี้พลังของการปล่อยพลังงานจะเป็น หลาย (มากถึง 10) เมกะวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตรของพลาสม่า... แต่ถ้าเราเพิ่มความหนาแน่นของพลาสมา ความดันของมันก็จะเพิ่มขึ้น - สำหรับจุดประสงค์ของเราในแง่ของความหนาแน่นและอุณหภูมิ มันจะเป็น ~ 5 บรรยากาศ... งานในการรักษาพลาสมาดังกล่าวไม่ให้กระเจิงและหลอมการติดตั้ง (และในขณะเดียวกันการถ่ายเทความร้อนโดยตรงไปยังผนัง - เรากำลังต่อสู้เพื่อจูลทุกครั้ง!) เป็นปัญหาที่สามและหลัก

กำลังของการปล่อยพลังงาน (เมกะวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร) ที่ความหนาแน่นและอุณหภูมิต่างกัน

การกักเก็บแม่เหล็ก (การกักขัง)

โชคดีสำหรับเรา พลาสมามีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก - มันเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงของมัน แต่ในทางปฏิบัติจะไม่ข้ามมัน หากคุณสร้างสนามแม่เหล็กที่ไม่มีรู พลาสมาก็จะวนเวียนอยู่ในนั้นตลอดไป ใช่ จนกว่ามันจะเย็นลง แต่เรามีเวลา 100 มิลลิวินาที!

การกำหนดค่าที่ง่ายที่สุดของฟิลด์ดังกล่าวคือพรูที่มีขดลวดพันอยู่ซึ่งพลาสมาเคลื่อนที่เป็นวงกลม การกำหนดค่านี้ถูกคิดค้นโดย Sakharov และ Tamm ในปี 1951 และเรียกโดยพวกเขาว่า " tokamak", เช่น. แล้วรอยด์ คะวัดจาก หม่าเน่าเสีย ถึงอาตุสกี้ เพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่า การแปลงแบบหมุน (เมื่อเคลื่อนที่เป็นวงกลมพลาสม่าจะต้องหมุนรอบแกนของการเคลื่อนที่ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อไม่ให้เกิดการแยกประจุ) ในพลาสมาจำเป็นต้องกระตุ้นกระแสวงแหวนเนื่องจากทำได้ง่าย นี้ตั้งแต่ พลาสมาทอรัสถือได้ว่าเป็นขดลวดบนหม้อแปลงไฟฟ้า และเพียงพอที่จะเปลี่ยนกระแสในขดลวด "หลัก" เพื่อให้กระแสที่ต้องการปรากฏขึ้น ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำหรือโซลินอยด์กลางจึงถูกเพิ่มเข้ากับขดลวด toroidal ขดลวดโพลอยด์มีหน้าที่ในการบิดเพิ่มเติมของสนาม toroidal และการควบคุม ดังนั้นเราจึงได้สนามแม่เหล็กรุ่นสุดท้ายที่เก็บพลาสมา นอกจากนี้ สนามแม่เหล็กยังป้องกันพลาสมาไม่ให้เคลื่อนที่ผ่านพรู ซึ่งทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างแรงจากจุดศูนย์กลางไปยังขอบ เงื่อนไขนี้เรียกว่าการกักขังแม่เหล็ก

นี่เป็นวิธีที่นักทฤษฎีเห็น ITER โดยประมาณ

คุณสามารถสร้างโรงไฟฟ้าฟิวชันได้หรือไม่? ไม่เชิง….

อย่างที่เราจำได้ ความดันพลาสมาคือ 5 บรรยากาศ เป็นที่ชัดเจนว่าแรงดันสนามแม่เหล็กไม่ควรน้อยกว่านี้ อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่าด้วยค่าที่เปรียบเทียบกันได้ พลาสม่ามีความไม่เสถียรอย่างยิ่ง - มันเริ่มเปลี่ยนรูปร่างอย่างรวดเร็ว มัดเป็นปมแล้วโยนลงบนผนัง มีอัตราส่วนของความดันพลาสม่าต่อความดันสนามแม่เหล็กซึ่งเขียนแทนด้วยตัวอักษรβ ... ปรากฎว่าโหมดการทำงานมากหรือน้อยเริ่มต้นด้วย β = 0.05-0.07 เช่น ความดันสนามแม่เหล็กควรสูงกว่าความดันพลาสม่า 15-20 เท่า เมื่อในช่วงปลายยุค 70 เป็นที่ชัดเจนว่าอัตราส่วนนี้ไม่สามารถเอาชนะได้ไม่ว่าด้วยวิธีใด ฉันคิดว่านักฟิสิกส์แสนแสนสาหัสหลายคนพูดอะไรบางอย่างเช่น "พลาสมา นังใจร้าย" จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเพิ่มทุ่งนาขึ้น 15-20 เท่า ซึ่งทำให้แนวคิดเรื่อง "เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสในบ้านทุกหลัง" สิ้นสุดลง ที่รัก ลดเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันลง หมีร้อนแล้ว

แบบจำลองการเคลื่อนที่ของพลาสมาในโทคามัก พลาสม่ามีความปั่นป่วนสูง (รบกวน) และสิ่งนี้ช่วยให้เย็นลงเร็วขึ้นและทำงานไม่เสถียรมากขึ้น

ความไม่แน่นอน

สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร เพิ่มสนาม 15-20 ครั้งเมื่อเทียบกับความฝันในยุค 50? ก่อนอื่นมันเป็นไปไม่ได้ เริ่มแรกเห็นโทคามัคเป็นทุ่งนา 1.5-2 เทสลา(และความดันพลาสมาที่สอดคล้องกัน 10-15 บรรยากาศ) และ β = 1 แต่ในความเป็นจริง การจำกัดพลาสมาดังกล่าวจะต้องใช้สนาม 30-40 เทสลา... ทุ่งดังกล่าวไม่สามารถบรรลุได้ในยุค 60 และแม้กระทั่งทุกวันนี้ บันทึกสนามนิ่ง - 33 เทสลาในปริมาณมากด้วยแก้ว ขีด จำกัด ทางเทคนิคถูกวางไว้ใน ITER: ในปริมาตรพลาสม่า - 5-6 T และที่ขอบ - 8-9 T ดังนั้นความดันและความหนาแน่นของพลาสม่าในการติดตั้งจริงจึงน้อยกว่าที่มีอยู่ ตั้งครรภ์ในยุค 50 และเวลาที่น้อยลงด้วยความร้อนทุกอย่างก็แย่ลงมาก และเนื่องจากความร้อนแย่ลง พลาสม่าเย็นลงเร็วขึ้น และ ... คุณคงเข้าใจแล้ว

อย่างไรก็ตาม การรั่วของความร้อนสามารถจัดการได้ด้วยวิธีดั้งเดิม - โดยการเพิ่มขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ ในกรณีนี้ปริมาตรของพลาสมาจะเพิ่มขึ้นเหมือนลูกบาศก์และพื้นที่ผิวของพลาสมาที่พลังงานไหลออกมาเหมือนสี่เหลี่ยมจัตุรัส ผลที่ได้คือการปรับปรุงฉนวนกันความร้อนเชิงเส้น ดังนั้น ถ้าโทคามักเครื่องแรกในโลกมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 ซม. และ ITER มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 16 เมตร และปริมาตรมากกว่า 10,000 เท่า และยังไม่เพียงพอสำหรับเครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรม

Tokomakostroitel เห็นด้วยกับ "น้อย"

โดยทั่วไป พลาสมาเทอร์โมนิวเคลียร์กลายเป็นสารที่น่ารังเกียจอย่างยิ่งซึ่งมี "ชีวิต" บางประเภทเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง การสั่นสะเทือนและการสั่นสะเทือนบางอย่างซึ่งโดยปกติไม่ได้นำไปสู่สิ่งที่ดี อย่างไรก็ตาม ในปี 82 ความไม่เสถียรถูกค้นพบโดยบังเอิญ ซึ่งทำให้มีคม (2 ครั้ง!) การรั่วไหลของความร้อนจากพรูลดลง โหมดนี้เรียกว่าโหมด H และตอนนี้โทคามักใช้กันอย่างแพร่หลาย อย่างไรก็ตาม กระแสวงแหวนที่สร้างขึ้นในพลาสมาเพื่อเก็บไว้ในสนามวงแหวนเป็นแหล่งกำเนิดของความไม่เสถียรเหล่านี้รวมถึง การพ่นพลาสม่าขึ้นหรือลงบนผนังอย่างไม่เป็นที่พอใจ การต่อสู้เพื่อการควบคุมพลาสมาที่เสถียรได้ดำเนินมาเป็นเวลาประมาณ 30 ปีแล้ว และในตอนนี้ใน ITER มีการวางแผนว่าการเปิดตัวเพียง 5 ครั้งจากทั้งหมด 1,000 ครั้งจะจบลงด้วยความล้มเหลวในการควบคุม

อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการต่อสู้เพื่อความมั่นคง โทคามักถูกยืดในแนวตั้งในส่วนตัดขวางจากตัวกลม ปรากฎว่าส่วนรูปตัว D ของพลาสมาปรับปรุงพฤติกรรมและช่วยให้คุณเพิ่มเบต้าได้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามากที่สุดใหญ่ เบต้าทำงานและพลาสมาที่เสถียรที่สุด - ในโทคาแมคทรงกลม (พวกมันมีการยืดตัวในแนวตั้งสูงสุดกับเส้นผ่านศูนย์กลาง) ซึ่งเป็นทิศทางที่ค่อนข้างใหม่ในการสร้างโทคาแมค บางทีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของพวกเขาอาจนำไปสู่ความจริงที่ว่าโรงไฟฟ้าเทอร์โมนิวเคลียร์แห่งแรกจะติดตั้งเครื่องจักรดังกล่าวและไม่ใช่พรูแบบคลาสสิก

tokamak ทรงกลมเป็นเหตุผลใหม่ในการขอเงินเพิ่ม

นิวตรอนและไอโซโทป

หัวข้อสุดท้ายที่ต้องพูดคุยกันเพื่อที่จะเข้าใจปัญหาของโทคามักฟิสิกส์คือนิวตรอน ดังที่ฉันกล่าวไว้ในปฏิกิริยาที่ทำได้ง่ายที่สุด D + T -> He4 + n นิวตรอนนำพลังงาน 80% ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการกำเนิดของนิวเคลียสฮีเลียมออกไป นิวตรอนไม่สนใจสนามแม่เหล็กและบินไปทุกทิศทาง ในเวลาเดียวกัน พวกมันใช้พลังงานที่เราคาดว่าจะใช้เพื่อทำให้พลาสมาร้อน ดังนั้นโดยวิธีการที่บรรพบุรุษผู้ก่อตั้งของทิศทางคิดมากขึ้นเกี่ยวกับปฏิกิริยา D + D -> p (n) + T (He3) ซึ่งนิวตรอนจะนำพลังงานไป 15% น่าเสียดายที่ D + D ต้องการอุณหภูมิ 10 เท่า, 10 เท่าของสนามหรือ 3 เท่าของเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้น ฟลักซ์นิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันมหึมา มันเกินฟลักซ์ของเครื่องปฏิกรณ์เร็วประมาณหนึ่งร้อยเท่าด้วยการปล่อยพลังงานเท่ากัน และที่สำคัญที่สุด นิวตรอนที่มีพลังงาน 14.6 MeV จะทำลายล้างมากกว่านิวตรอนของเครื่องปฏิกรณ์เร็วที่มีพลังงาน 0.5-1 MeV

นี่คือส่วนของห้อง ITER หลังจาก งานประจำปี... Tsiferki - รังสีที่เกิดจากนิวตรอน Sievert ต่อชั่วโมง เหล่านั้น. ในศูนย์ 45700 R / h โชคดีที่หลุดเร็วมาก

ในทางกลับกัน นิวตรอนจะถูกชะลอความเร็วค่อนข้างมากในน้ำและถูกดูดซับโดยวัสดุหลายชนิด กล่าวคือ เรายิงได้ พลังงานความร้อนการเผาไหม้ด้วยความร้อนนิวเคลียร์ไม่ใช่พื้นผิวเรียบที่หันไปทางพลาสมา แต่เป็นเปลือกน้ำที่อยู่รอบๆ นอกจากนี้ นิวตรอนที่มีพลังสามารถแปลงเป็นนิวตรอนจำนวนมากได้อย่างง่ายดายด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า (บินผ่านอะตอมของ พูด เบริลเลียม พวกมันเคาะออกอีกหนึ่งนิวตรอน สูญเสียพลังงาน Be9 + n -> Be8 + 2n และนิวตรอนเหล่านี้ ลิเธียมสามารถดูดซับได้โดยแปลงเป็น ดังนั้นคำถาม“ เราจะเอาไอโซโทปออกจากเครื่องปฏิกรณ์ของเราได้ที่ไหน” ใน ITER โดยวิธีการที่ผ้าห่มรุ่นทดลองมากถึง 6 รุ่นจะทำการทดสอบซึ่งใน ทริเทียมจะผลิตจากลิเธียมซึ่งหน่วยผ้าห่มที่มีประสบการณ์เหล่านี้สามารถปิดได้ ถึง 10%ความต้องการของ ITER

ภาพการออกแบบของ Test Breeding Blanket (TBM) ดูไม่ออกเลยว่าผ้าห่มแบบนี้จะสร้างสถานีเทอร์โมนิวเคลียร์ได้นะ ง่ายกว่า.

สรุป

คุณธรรมของทั้งหมดนี้คือกฎของธรรมชาติมักจะไม่เป็นที่รู้จักล่วงหน้าและอาจร้ายกาจทีเดียว พฤติกรรมของพลาสมาเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่นำไปสู่การขยายตัวของเครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้ได้พลังงานจากอุปกรณ์บนโต๊ะไปจนถึงคอมเพล็กซ์ขนาดมหึมามูลค่า 16 พันล้านดอลลาร์ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือความเข้าใจในการทำ tokamak ที่มีการจุดระเบิดนั้นปรากฏขึ้นในช่วงปลายยุค 80 เช่น หลังจาก 30 ปีของการวิจัยพลาสมา ตัวอย่างเช่น โครงการ ITER แรกที่สร้างขึ้นในปี 1996 เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบจุดระเบิดด้วยพลังงานความร้อน 1.5 กิกะวัตต์ อย่างไรก็ตาม โรงไฟฟ้าเทอร์โมนิวเคลียร์กลับกลายเป็นว่าซับซ้อนมากจนต้องใช้บล็อกขนาดใหญ่มากจึงจะได้ผล ตัวอย่างเช่น 10 กิกะวัตต์ และการก่อสร้างโรงไฟฟ้าดังกล่าวอย่างน้อย 10 แห่ง เพื่อลดต้นทุนในการสร้างอุตสาหกรรมก่อสร้างอาคารโทคามัค มาตราส่วนดังกล่าวไม่เหมาะกับภาคพลังงานใด ๆ ในโลก ดังนั้นเทคโนโลยีจึงถูกเลื่อนออกไปจนกว่าจะถึงเวลาที่ดีขึ้น เพื่อไม่ให้สูญเสียรากฐาน เทคโนโลยี ผู้คน นักการเมืองตกลงที่จะให้เงินทุนขั้นต่ำที่เป็นไปได้สำหรับหัวข้อนี้ ในรูปแบบของการสร้าง ITER ระหว่างประเทศที่มีราคาแพง และสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการวิจัยขนาดเล็กกว่าหลายสิบแห่ง งานของค่าใช้จ่ายเหล่านี้คือสามารถได้อย่างรวดเร็ว (อย่างน้อยใน 15 ปี) นำพลังงานทางเลือกออกจากตู้หากจำเป็นในบางครั้ง ...

อนาคตสดใส

โดยวิธีการที่เกี่ยวกับความพร้อมของเทคโนโลยี จนถึงปัจจุบัน Q = 0.7 ที่ทดลองได้สูงสุดในปี 1997 ที่โรงงาน JET และค่าที่คำนวณได้ (เครื่องจักรที่ทำงานบนดิวเทอเรียม ไม่ใช่ดิวเทอเรียม ทริเทียม) ที่ JT-60U tokamak Q = 1.2 Q = 10 ถูกวางแผนสำหรับ ITER และ 50-100 สำหรับเครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรม ยิ่งค่า Q สูงเท่าไร โรงไฟฟ้าก็จะยิ่งประหยัดมากขึ้นเท่านั้น แต่อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้ว ยิ่งขนาดของโรงปฏิกรณ์ยิ่งยิ่งใหญ่ ยิ่งมีแม่เหล็กมหาศาล และต้นทุนของความล้มเหลวของชิ้นส่วน 10 ล้านชิ้นจากทั้งหมดก็จะสูงขึ้น ที่ประกอบโทคามัคสมัยใหม่ ...

ป.ล. ตรวจสอบบล็อกของฉัน ฉันมีข่าวเกี่ยวกับการก่อสร้าง ITER ที่นั่น

ป.ล. หากใครต้องการหนังสือเรียนเกี่ยวกับโทคามัคฟิสิกส์แบบไม่ต้องอธิบายง่ายๆ

เพื่อให้บรรลุเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการไหล พลาสมาในโทคามักไม่ได้จับไว้ที่ผนังห้อง ซึ่งไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ได้ แต่ด้วยสนามแม่เหล็กรวมที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นสนามกระแสโทรอยด์และโพโลดัลด์ที่ไหลผ่านเส้นใยพลาสมา เมื่อเทียบกับการติดตั้งอื่น ๆ ที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อบรรจุพลาสมา การใช้กระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ คุณสมบัติหลักโทคามัค กระแสในพลาสมาให้ความร้อนแก่พลาสมาและรักษาสมดุลของคอลัมน์พลาสมาในห้องสุญญากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง tokamak นั้นแตกต่างจาก stellarator ซึ่งเป็นหนึ่งในรูปแบบการกักขังทางเลือก ซึ่งทั้งสนาม toroidal และ poloidal ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ขดลวดแม่เหล็กภายนอก

เครื่องปฏิกรณ์ tokamak กำลังได้รับการพัฒนาโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศของ ITER

ประวัติศาสตร์

ข้อเสนอสำหรับการใช้เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและรูปแบบเฉพาะโดยใช้ฉนวนความร้อนของพลาสมาอุณหภูมิสูงโดยสนามไฟฟ้าได้รับการคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต O. A. Lavrent'ev ในงานของเขาในกลางปี ​​1950 งานนี้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการวิจัยของสหภาพโซเวียตเกี่ยวกับปัญหาของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม AD Sakharov และ IE Tamm ในปี 1951 เสนอให้ปรับเปลี่ยนรูปแบบ โดยเสนอพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์ โดยที่พลาสมาจะมีรูปร่างเป็นพรูและถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็ก ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันเสนอแนวคิดเดียวกัน แต่ "ถูกลืม" จนถึงปี 1970

ปัจจุบัน tokamak ถือเป็นอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม

อุปกรณ์

โทคามักเป็นห้องสุญญากาศแบบวงแหวนซึ่งขดลวดถูกพันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแบบวงแหวน อากาศจะถูกอพยพออกจากห้องสุญญากาศก่อน จากนั้นจึงเติมด้วยส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม จากนั้นใช้ ตัวเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนถูกสร้างขึ้นในห้อง ตัวเหนี่ยวนำเป็นขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงขนาดใหญ่ซึ่งห้องโทคามักเป็นขดลวดทุติยภูมิ สนามไฟฟ้าทำให้กระแสไหลและจุดไฟในห้องพลาสมา

กระแสที่ไหลผ่านพลาสมาทำหน้าที่สองประการ:

• ให้ความร้อนกับพลาสม่าในลักษณะเดียวกับตัวนำอื่น ๆ (การให้ความร้อนแบบโอห์มมิก);
• สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง สนามแม่เหล็กนี้เรียกว่า Poloidal(กล่าวคือ มุ่งไปตามเส้นที่ผ่าน เสาระบบพิกัดทรงกลม)

สนามแม่เหล็กบีบอัดกระแสที่ไหลผ่านพลาสมา เป็นผลให้มีการจัดโครงแบบโดยที่เส้นแรงแม่เหล็กแบบขดลวด "พัน" รอบเส้นพลาสมา ในกรณีนี้ ขั้นระหว่างการหมุนในทิศทูรอยด์ไม่ตรงกับขั้นตอนในทิศทางโพลอยด์ เส้นแม่เหล็กเปิดออก พวกมันหมุนรอบพรูหลายครั้งจนนับไม่ถ้วน ก่อตัวเป็น "พื้นผิวแม่เหล็ก" ที่เรียกว่ารูปทรงวงแหวน

การปรากฏตัวของสนาม poloidal เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกักขังพลาสมาที่เสถียรในระบบดังกล่าว เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นโดยการเพิ่มกระแสในตัวเหนี่ยวนำ และมันไม่สามารถไม่มีที่สิ้นสุด เวลาของการดำรงอยู่ของพลาสมาที่เสถียรใน tokamak แบบคลาสสิกจึงยังคงถูกจำกัดไว้เพียงไม่กี่วินาที เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด นี้ได้มีการพัฒนาวิธีการเพิ่มเติมในการรักษากระแส ด้วยเหตุนี้จึงสามารถใช้การฉีดเข้าไปในพลาสมาของอะตอมดิวเทอเรียมหรือไอโซโทปที่เป็นกลางแบบเร่งหรือรังสีไมโครเวฟได้

นอกจากขดลวด toroidal เพิ่มเติม ขดลวดสนามโพลอยด์... เป็นวงวนรอบแกนตั้งของห้องโทคามัก

การให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวเนื่องจากกระแสไฟไม่เพียงพอที่จะทำให้พลาสมาร้อนจนถึงอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ สำหรับการให้ความร้อนเพิ่มเติม รังสีไมโครเวฟจะถูกใช้ที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่เรียกว่าความถี่เรโซแนนซ์ (เช่น ประจวบกับความถี่ไซโคลตรอนของอิเล็กตรอนหรือไอออน) หรือการฉีดอะตอมที่เป็นกลางอย่างรวดเร็ว

Tokamaks และลักษณะของพวกเขา

โดยรวมแล้วมีโทคามักประมาณ 300 อันถูกสร้างขึ้นในโลก ที่ใหญ่ที่สุดของพวกเขามีการระบุไว้ด้านล่าง

สหภาพโซเวียตและรัสเซีย

คาซัคสถาน

• Tokamak วัสดุศาสตร์แห่งคาซัคสถาน (KTM) คือการติดตั้งเทอร์โมนิวเคลียร์แบบทดลองสำหรับการวิจัยและทดสอบวัสดุในโหมดโหลดพลังงานใกล้เคียงกับ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

โทคามัก (แล้วรอยด์ คะวัดจาก หม่าเน่าเสีย ถึง atushkami) - อุปกรณ์ toroidal สำหรับการกักขังพลาสมาแม่เหล็กเพื่อให้บรรลุเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการไหล พลาสมาในโทคามักไม่ได้จับไว้ที่ผนังห้อง ซึ่งไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ได้ แต่ด้วยสนามแม่เหล็กรวมที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นสนามกระแสนอกแบบวงแหวนและโพลอยด์ที่ไหลผ่านเส้นใยพลาสมา เมื่อเทียบกับการติดตั้งอื่นๆ ที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดพลาสมา การใช้กระแสไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติหลักของโทคามัก กระแสในพลาสมาให้ความร้อนแก่พลาสมาและรักษาสมดุลของคอลัมน์พลาสมาในห้องสุญญากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง tokamak นั้นแตกต่างจาก stellarator ซึ่งเป็นหนึ่งในรูปแบบการกักขังทางเลือก ซึ่งทั้งสนาม toroidal และ poloidal ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ขดลวดแม่เหล็กภายนอก

เครื่องปฏิกรณ์ tokamak กำลังได้รับการพัฒนาโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศของ ITER

ประวัติศาสตร์

ข้อเสนอสำหรับการใช้เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและรูปแบบเฉพาะโดยใช้ฉนวนความร้อนของพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงโดยสนามไฟฟ้าได้รับการคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต O. A. Lavrent'ev ในงานของเขาในกลางปี ​​1950 งานนี้ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการวิจัยของสหภาพโซเวียตเกี่ยวกับปัญหาของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม AD Sakharov และ IE Tamm ในปี 1951 เสนอให้ปรับเปลี่ยนรูปแบบ โดยเสนอพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์ โดยที่พลาสมาจะมีรูปร่างเป็นพรูและถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็ก ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันเสนอแนวคิดเดียวกัน แต่ "ถูกลืม" จนถึงปี 1970

ปัจจุบัน tokamak ถือเป็นอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม

อุปกรณ์

โทคามักเป็นห้องสุญญากาศแบบวงแหวนซึ่งขดลวดถูกพันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแบบวงแหวน อากาศจะถูกอพยพออกจากห้องสุญญากาศก่อน จากนั้นจึงเติมด้วยส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม จากนั้นใช้ ตัวเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนถูกสร้างขึ้นในห้อง ตัวเหนี่ยวนำเป็นขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงขนาดใหญ่ซึ่งห้องโทคามักเป็นขดลวดทุติยภูมิ สนามไฟฟ้าทำให้กระแสไหลและจุดไฟในห้องพลาสมา

กระแสที่ไหลผ่านพลาสมาทำหน้าที่สองประการ:

• ให้ความร้อนกับพลาสม่าในลักษณะเดียวกับตัวนำอื่น ๆ (การให้ความร้อนแบบโอห์มมิก);
• สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง สนามแม่เหล็กนี้เรียกว่า Poloidal(กล่าวคือ มุ่งไปตามเส้นที่ผ่าน เสาระบบพิกัดทรงกลม)

สนามแม่เหล็กบีบอัดกระแสที่ไหลผ่านพลาสมา เป็นผลให้มีการจัดโครงแบบโดยที่เส้นแรงแม่เหล็กแบบขดลวด "พัน" รอบเส้นพลาสมา ในกรณีนี้ ขั้นระหว่างการหมุนในทิศทูรอยด์ไม่ตรงกับขั้นตอนในทิศทางโพลอยด์ เส้นแม่เหล็กเปิดออก พวกมันหมุนรอบพรูหลายครั้งจนนับไม่ถ้วน ก่อตัวเป็น "พื้นผิวแม่เหล็ก" ที่เรียกว่ารูปทรงวงแหวน

การปรากฏตัวของสนาม poloidal เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกักขังพลาสมาที่เสถียรในระบบดังกล่าว เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นโดยการเพิ่มกระแสในตัวเหนี่ยวนำ และมันไม่สามารถไม่มีที่สิ้นสุด เวลาของการดำรงอยู่ของพลาสมาที่เสถียรใน tokamak แบบคลาสสิกจึงยังคงถูกจำกัดไว้เพียงไม่กี่วินาที เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด นี้ได้มีการพัฒนาวิธีการเพิ่มเติมในการรักษากระแส ด้วยเหตุนี้จึงสามารถใช้การฉีดเข้าไปในพลาสมาของอะตอมดิวเทอเรียมหรือไอโซโทปที่เป็นกลางแบบเร่งหรือรังสีไมโครเวฟได้

นอกจากขดลวด toroidal เพิ่มเติม ขดลวดสนามโพลอยด์... เป็นวงวนรอบแกนตั้งของห้องโทคามัก

การให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวเนื่องจากกระแสไฟไม่เพียงพอที่จะทำให้พลาสมาร้อนจนถึงอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ สำหรับการให้ความร้อนเพิ่มเติม รังสีไมโครเวฟจะถูกใช้ที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่เรียกว่าความถี่เรโซแนนซ์ (เช่น ประจวบกับความถี่ไซโคลตรอนของอิเล็กตรอนหรือไอออน) หรือการฉีดอะตอมที่เป็นกลางอย่างรวดเร็ว

Tokamaks และลักษณะของพวกเขา