Токамак: Ув’язнення Зірки за допомогою Магнітних Полів

Утримання зірки у пончі

Об’єднання ізотопів водню в гелій вивільняє величезну кількість енергії, але лише якщо можна утримати плазму при 100-150 мільйонах кельвінів — вдесятеро від ядра Сонця — достатньо довго та щільно, щоб ядра стикалися і зливалися швидше, ніж плазма втрачає тепло. Жодного твердого матеріалу не витримає контакту з такою плазмою, тому її потрібно утримувати за допомогою магнітних полів замість цього. Токамак (російський абревіатура для «пористе торцеве магнітно-обладнання») був розроблений Радянським Союзом у 1950-х роках, і робить це, зводячи обмежуючий поле в замкнутий понч, щоб лінії поля ніколи не стикалися зі стіною — заряджена частинка, що кружляє навколо лінійної сили поля, просто продовжує обертатися навколо торсу назавжди, в принципі.

Чому чисто тороїдальне поле недостатньо

Просте кільцеподібне (тороїдальне) поле само по собі не утримує плазму, оскільки поле сильніше всередині кільця (малий основний радіус), ніж зовні — силові лінії там щільніше згорнуті. Цей градієнт змушує іони та електрони вертикально відходити в протилежні напрямки, що створює електричне поле, яке, в свою чергу, виробляє Е×B дрейф, який штовхає всю плазму прямо у стіну. Рішення полягає в тому, щоб додати другу компоненту поля, полярну, яка обертається коротким шляхом навколо меншого окружності торуса. Об'єднавши тороїдальні та полярні компоненти, кожне силове поле спірально обертається навколо торуса на спіральному шляху, так що частинка, яка слідує за ним, послідовно зраховує як внутрішню, так і зовнішню частини кільця, а вертикальні дрейфи в середньому скасовуються.

B_total = B_toroidal (long way around, the donut hole)
        + B_poloidal (short way around, the donut's cross-section)

resultant field lines trace helices on nested toroidal "flux surfaces"

Безпечний фактор q

Наскільки щільно закручена ця спіраль вимірюється безпечним фактором, q, що приблизно дорівнює кількості разів, як поле проходить навколо торсу в одному напрямку на кількість разів, як воно проходить в іншому напрямку. Низьке q (щільне закручення спіралі) схильне до насильницьких нестабільностей згибу та порушення; класичний ліміт Кршанова-Шафранова вимагає q > 1 на краю плазми для базової стабільності, а справжні пристрої зазвичай працюють із кутом краю близько 3 до 5. У токамаку полярне поле в основному генерується великим електричним струмом, що безпосередньо проходить через сам плазму (до мільйонів ампер), який також нагріває плазму під час запуску.

Пойнерівські карти та поверхні потоку

Оскільки поле-лінія спіралевидно змінюється (детерміновано), а тор — періодично, найчистіший спосіб побачити структуру – це використовувати Пойнерівську карту: проколювати окремий полідальний переріз кожного разу, коли проходить поле-лінія, обходячи тор знову і знову. Якщо утримання хороше, отвори відмічаються закритими вкладеними кривими – поверхнями потоку (flux surfaces), як кільця цибулини, а тиск та температура плазми постійні на кожній з них. Якщо поле-ліни замість закритих кіл розповзаються і заповнюють площу, це ознака магнічної хаоти – перехресних резонансів, які дозволяють теплу та частинкам витікати через поверхні значно швидше, ніж бажано, що є однією з центральних практичних проблем утримання плазми в реакторах термоядерного синтезу.

Від токамаки фізики до ITER

Критерій Лоусона встановлює планку для самовідsustaining ('запалений') термоядерної реакції: добуток щільності плазми, часу утримання та температури має перевищувати поріг, тому реактор повинен одночасно бути гарячим, інтенсивним та добре ізольованим протягом достатнього часу. Реальні токамаки додають додаткові котушки для формування поля для контролю форми перерізу плазми (розтягування та трикутник покращує стабільність і утримання), допоміжну нагрівку за межами омовної струму (впортування нейтрального струму, радіочастотна нагрівка) для подолання практичного температурного потолку омовної нагрівки, та відволікачі для перенаправлення вихлопної тепла та домішок з ядра плазми. ITER, що будується у Франції, розраховано як перший токамак, який виробить значно більше термоядерного енергії, ніж енергія, яка вкладається для нагріву плазми, це досягнення називається 'розрив'.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

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