Tokamak zabezpieczający magnetycznie: Trzymanie gwiazdy magnesami

Brak materiału może utrzymać temperaturę 100 milionów stopni

Fuzja izotopów wodoru z heliumem wydaje ogromną energię, ale tylko przy temperaturach okolicznych 100-150 milionów stopni Celsiusza, co jest dziesięć razy wyższe niż jądro Słońca, dzieje się szybko i jest użyteczne. Brak żadnego solidnego materiału, który mógłby dotknąć plasma na tak wysokiej temperaturze i przetrwać, dlatego tokamak utrzymuje ją od każdej powierzchni za pomocą pola magnetycznego: ładunkowe cząsteczki krążą wokół linii pola bardzo skomplikowanym torami i są prawie wolne do poruszania się po nich, ale mocno przeciwno zrzucane na przecinanie ich, więc odpowiednio sformowane pole może działać jak niewidzialna butelka.

Poloidal pole: połowa łatwa butelki

Obwód elektronykiet magnetycznych wokół toroidalnego (kształtu donutowego) komory pustkowej tworzy silny poloidalny pole, które krąży wzdłuż torusa. Samej tej konfiguracji jest dostatecznie dobra do zatrzymania cząsteczek radially, ale to nie wystarcza: pole jest naturalnie silniejsze wewnątrz torusa niż poza nim, a ten gradient sprawia, że jonki i elektronki wolno przemieszczają się pionowo w przeciwległych kierunkach, budując separację ładunku, która inaczej spowodowałaby wydzielanie całego plasma na ścianę w milisekundach.

Pól poloidalny i skręt naprawiający przemieszczanie

Rozwiązaniem jest drugi komponent pola magnetycznego — pola poloidalnego, które krąży wzdłuż osi torusa. W tokamaku to pole poloidalne powstaje z przenoszenia ogromnej przepływności elektrycznej — zwykle miliony amperów — bezpośrednio przez plasma, która jest zdolna do tego ze względu na wysoką temperaturę i ionizację. Złożenie pól toroidalnego i poloidalnego powoduje, że linie pola skręcają helikoidalnie wokół torusa zamiast biec po płaskich krążkach. Ten skręt helikoidalny oznacza, że dany cząsteczek, kiedy śledzi linię pola, próbuje obydwa strony — silne pole wewnętrzne i słabe pole zewnętrzne — w przybliżeniu równomiernie, co anuluje netto przemieszczenie pionowe, które mogłoby inaczej zagrozić konfinacji.

Stosunek bezpieczeństwa q

Szerokość obrotu linii pola jest opisana przez stosunek bezpieczeństwa q, który na danym powierzchniowym polu magnetycznym jest zdefiniowany jako przybliżone ilość obrotów linii pola wokół dłuższej osi torusa dla każdego jednego obrotu wokół krótszej osi:

q(r) =~ (r * B_toroidal) / (R * B_poloidal) r = promień mniejszy (odległość od okręgu centralnego torusa) R = promień większy (promień torusa samego siebie) q > 1 wszędzie w dobrze zachowanym plasma: linie pola obrotują się łagodnie q zbliżony do 1 blisko jądra: obrotosć zwiększa się, natężenie przepływności wzrasta Wysoki q oznacza, że linie pola obrotują się luźno i kolumna plasma zachowuje się w sposób dobrze kontrolowany i stabilny. Ponieważ q zależy od prądu plasma (przez pole poloidalne, które on tworzy), sam przypływ jest ustawieniem, którego operacjonerzy muszą utrzymywać w bezpiecznych granicach, a nie czymś, co można prosto maksymalizować do zwiększenia mocy fuzyjnej.

q(r)  =~  (r * B_toroidal) / (R * B_poloidal)

r  = minor radius (distance from the torus's central circle)
R  = major radius (radius of the torus itself)

q > 1 everywhere in a well-behaved plasma: field lines wind gently
q approaching 1 near the core: winding tightens, current density rises

Instabilność krzywizny

Jeśli q spada w kierunku lub poniżej 1, najczęściej poprzez zwiększenie prądu plasma, linie pola magnetycznego i skonsentrowany kanał prądowy stają się podatne na instabilność krzywizny: mała helikoidalna deformacja kolumny prądowej rośnie, ponieważ siły magnetyczne zamiast jej powracania do oryginalnej pozycji, wspierają deformację. Jeśli nie zostanie ona zarządzona, może szybko rosnąć w sposób eksplozyjny, krzyżując plasma i przyniżając ją do kontaktu z ścianą komory — nagle, niekontrolowany strata ochrony plasma, zwana dysrpucją. Dysrupcja spowoduje szybkie (w milisekundach) wydostawanie się energii termicznej i magnetycznej prądu plasma, co stanowi jedno z głównych wyzwań inżynieryjnych dla projektantów tokamaków, w tym ITER'a, którzy poświęcają ogromne wysiłki na prognozowanie i unikanie jej.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Magnetic Confinement Fusion: Tokamak i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.