PL 
EnglishDomyślny
Українська☢️ Tokamak — fuzja z magnetycznym utrzymaniem plazmy
Zrównoważ pola toroidalne i poloidalne w tokamaku, śledź orbity Larmora i mapy Poincarego i zobacz, jak współczynnik bezpieczeństwa utrzymuje plazmę fuzyjną.
O uwięzieniu magnetycznym w tokamaku
Tokamak (z rosyjskiego "toroidalnaja kamera s magnitnymi katuszkami") uwięzia gorącą plazmę w naczyniu w kształcie pierścienia (torusa), wykorzystując połączenie toroidalnych i poloidalnych pól magnetycznych. Wynikowe spiralne linie pola owijają się wokół torusa w zagnieżdżonych powierzchniach strumienia, zapobiegając dryfowaniu cząstek na zewnątrz. Ten projekt, opracowany w ZSRR w latach 50.–60. XX wieku, jest wiodącym podejściem do osiągnięcia kontrolowanej fuzji termojądrowej, a ITER (budowany we Francji) ma na celu osiągnięcie zysku energii fuzyjnej Q = 10.
Ta symulacja wizualizuje spiralne linie pola magnetycznego utworzone przez superpozycję toroidalnych i poloidalnych składowych pola, kluczowe ruchy dryfu cząstek (dryf gradientowy, dryf krzywiznowy) oraz koncepcję współczynnika bezpieczeństwa q — liczby toroidalnych obiegów, jakie wykonuje linia pola na każdy obieg poloidalny. Niewymierne wartości q są wymagane dla stabilności MHD i aby uniknąć powierzchni rezonansowych, które mogą wywołać niestabilności.
Najczęściej zadawane pytania
Czym jest tokamak i jak działa uwięzienie magnetyczne?
Tokamak wykorzystuje silne toroidalne pole magnetyczne (5–12 T w nowoczesnych urządzeniach) wytwarzane przez cewki nadprzewodzące, a także pole poloidalne pochodzące od toroidalnego prądu plazmowego indukowanego przez centralny solenoid. Połączone linie pola wiją się spiralnie wokół torusa, utrzymując plazmę z dala od ścian naczynia. ITER będzie miał objętość plazmy 840 m³ i ma na celu wytworzenie 500 MW mocy fuzyjnej z 50 MW mocy grzewczej wejściowej.
Czym jest współczynnik bezpieczeństwa q i dlaczego musi być niewymierny?
Współczynnik bezpieczeństwa q = r Bt/(R Bp) mierzy, ile razy linia pola owija się toroidalnie na każdy obieg poloidalny. Wymierne wartości q oznaczają, że linie pola zamykają się same na sobie po skończonej liczbie obiegów, co pozwala rezonansowym niestabilnościom MHD narastać na tych powierzchniach. Niewymierne wartości q powodują, że linie pola ergodycznie pokrywają całą powierzchnię strumienia, poprawiając stabilność plazmy.
Jaką reakcję fuzyjną ma podtrzymywać tokamak?
Główną reakcją jest D + T → ⁴He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV), gdzie D to deuter, a T to tryt. Neutron niesie 80% energii i zostanie pochłonięty w płaszczu litowym, aby wyhodować więcej trytu i wygenerować ciepło. W temperaturze 150 milionów kelwinów jądra deuteru i trytu pokonują barierę Coulomba i ulegają fuzji. Kryterium Lawsona wymaga nτE T > 3 × 10²¹ m⁻³·s·keV dla zapłonu.
Jakie są główne dryfy cząstek w plazmie tokamaka?
Nawet w idealnie toroidalnym polu naładowane cząstki doświadczają dryfu gradientowego i dryfu krzywiznowego, oba prostopadłe do pola oraz do kierunku gradientu/krzywizny. Te dryfy mają przeciwne kierunki dla jonów i elektronów, tworząc separację ładunku, która spowodowałaby dryf plazmy na zewnątrz, gdyby nie była przeciwdziałana przez pole poloidalne. Spiralne owijanie linii pola uśrednia te dryfy, umożliwiając uwięzienie.
Czym jest beta plazmy i dlaczego ma znaczenie?
Beta (β) to stosunek ciśnienia plazmy do ciśnienia magnetycznego: β = 2μ₀nkBT/B². Mierzy, jak efektywnie pole magnetyczne utrzymuje plazmę. Wysoka beta oznacza więcej mocy fuzyjnej na jednostkę energii pola magnetycznego. Typowe tokamaki działają przy β ≈ 1–5%. Przekroczenie granicy Troyona wywołuje niestabilności balonowe i kinkowe, które zaburzają plazmę.
Czym są ELM-y i zakłócenia?
Mody zlokalizowane na krawędzi (ELM) to okresowe niestabilności na krawędzi plazmy, które wyrzucają wybuchy energii i cząstek. W urządzeniach na skalę ITER duże ELM-y mogą deponować 10–20 MJ na dywertorze w czasie 0,1–1 ms. Zakłócenia to nagłe, całkowite utraty uwięzienia plazmy, uwalniające zmagazynowaną energię (do 400 MJ w ITER) w milisekundach. Strategie łagodzenia obejmują wstrzykiwanie rozdrobnionych peletów i gazu wygaszającego.
Jak gorąca musi być plazma i jak jest podgrzewana?
Reakcje fuzyjne wymagają temperatur plazmy 100–200 milionów K (10–20 keV). Metody podgrzewania obejmują podgrzewanie omowe, wstrzykiwanie wiązki neutralnej (NBI: szybkie neutralne atomy wstrzykiwane przy 80–1000 keV) oraz podgrzewanie o częstotliwości radiowej przy częstotliwościach cyklotronowych jonów (ICRH) lub elektronów (ECRH). ITER wykorzysta 73 MW połączonego podgrzewania NBI i RF.
Czym są magnesy nadprzewodzące i dlaczego są używane w tokamakach?
Magnesy nadprzewodzące przewodzą prąd z zerowym oporem elektrycznym poniżej temperatury krytycznej. ITER wykorzystuje przewodniki Nb3Sn schładzane do 4 K, niosące 68 000 A, wytwarzające pola 11,8 T. W porównaniu do konwencjonalnych magnesów miedzianych magnesy nadprzewodzące nie zużywają mocy omowej w samych cewkach, co czyni duże, stałe pola magnetyczne ekonomicznie wykonalnymi. Cały system magnesów ITER magazynuje 51 GJ energii magnetycznej.
Jaka jest różnica między tokamakiem a stellaratorem?
Tokamak wymaga toroidalnego prądu plazmowego, aby wytworzyć swoje pole poloidalne, co stwarza ryzyko zakłóceń. Stellarator wykorzystuje specjalnie ukształtowane cewki spiralne do wytworzenia zarówno pola toroidalnego, jak i poloidalnego zewnętrznie, bez netto prądu plazmowego, a więc bez zakłóceń. Stellarator Wendelstein 7-X w Niemczech jest największy na świecie; jego złożona geometria cewek jest optymalizowana obliczeniowo, aby zminimalizować dryfy cząstek i turbulencję.
Czym jest ITER i kiedy wytworzy plazmę fuzyjną?
ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy) to tokamak o masie 23 000 ton i objętości 840 m³, budowany w Cadarache we Francji przez 35 narodów. Zaprojektowano go, aby wytwarzał 500 MW mocy fuzyjnej z 50 MW mocy wejściowej (zysk Q = 10) w impulsach plazmowych trwających 300–500 sekund. Pierwsza plazma oczekiwana jest około 2025–2027 roku; eksperymenty fuzji deuterowo-trytowej planowane są na połowę lat 2030. ITER jest eksperymentem, a nie elektrownią; następczy projekt DEMO ma zademonstrować komercyjną elektryczność z fuzji.