Магнітне Утримання Токамак: Утримування Зоря з за допомогою Магнітів

Жоден матеріал не може утримати сто мільйонів градусів

Злиття ізотопів водню в гелій вивільняє величезну енергію, але воно відбувається достатньо швидко, щоб бути корисним, лише за температури близько 100-150 мільйонів градусів Цельсія, у десять разів горячіше за ядро Сонця. Жоден твердий бар'єр не може торкнутися плазми при цій температурі та вижити, тому токамак замість цього тримає її подалі від кожної поверхні за допомогою магнітних полів: заряджені частинки щільно обертаються навколо ліній поля і насправді вільно котяться по ньому, але сильно протистоять їх перетинанню, тому вдало спроектоване поле може діяти як невидимий бутель.

Теоретачне поле: легка половина пляшки

Кольовий масив зовнішніх електромагнітів, обгорнутих навколо пончового (теплового) вакуумного корпусу, створює сильне кільцеподібне поле, що обертається навколо торуса. Само по собі це утримує частинки радіально, але цього недостатньо: поле природним чином сильніше всередині торуса, ніж зовні, і цей градієнт змушує йони та електрони повільно плавно відходити в протилежних напрямках, створюючи зарядний розподіл, який іншим чином виштовхне весь плазмовий шар на стіни протягом мілісекунд.

Полярное поле и изгиб, который исправляет дрейф

Исправление — это второй компонент поля, полярное поле, которое крутится вокруг короткого пути через поперечное сечение торса. В токаторе это полярное поле возникает от того, что создают большой электрический ток — обычно миллионы ампер, непосредственно через плазму, которая делает возможной высокую температуру и ионизацию плазмы. Объединение тороидального и полярного поля создает силовые линии, которые спирально закручиваются вокруг торса, а не идут плоскими кругами, и этот вихревой изгиб означает, что любой заданный частица, следуя по силовым линиям, испытывает как сильную внутреннюю сторону, так и слабую внешнюю сторону в равной степени, отменяя чистый вертикальный дрейф, который иначе обрек на удержание.

Безпековий фактор q

Безпековий фактор (q) відображає наскільки щільно викручуються магнітні силові лінії, що визначається на заданій магнітній поверхні, приблизно як кількість разів, коли силовий лінія обертається навколо тору в довгу сторону проти одного оберту в короткій стороні:

q(r) ≈ (r * B_тороїдальний) / (R * B_полярний) r – малий радіус (відстань від центральної окружності тору) R – великий радіус (радіус самого тору) q > 1 всюди, де плазма веде себе добре: силові лінії обертаються плавно q наближається до 1 поблизу ядра: обертання стає щільнішим, щільність струму зростає Високий q означає, що силові лінії обертаються розслаблено і стовп плазми веде себе контрольовано та стабільно. Оскільки q залежить від потоку плазми (який він створює через полярне поле), сам струм є ручкою, яку оператори повинні підтримувати в межах безпечних меж, а не просто максимізувати для більшої кількості енергії злиття.

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

Нестабільність згибу

Якщо q падає до або нижче 1, найчастіше шляхом надмірного підвищення струму плазми, щільно закручені лінійки магнітного поля та сконцентрований канал струму стають схильними до нестабільності згибу: невелике спіральне зміщення стовпа струму росте, оскільки сили магнетизму підсилюють це зміщення замість того, щоб його відновлювати. Якщо цю проблему не вирішити, вона може вирости експоненціально, спотворюючи стовп плазми та змушуючи його зіткнутися із стінкою судна – раптовий, неконтрольований втрата утримання, який називається порушенням, і яке викидає накопичену теплову та магнітну енергію плазми за тисялі секунди. Це одна з центральних інженерних проблем, яку вирішують розробники токамаків, включаючи ITER, витрачаючи величезні зусилля на прогнозування та уникнення цього.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Magnetic Confinement Fusion Tokamak і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.