UK 
EnglishТипова
Polski☢️ Токамак — Магнітне Утримання Плазми
Токамак: магнітне утримання плазми, тороїдальне й полоїдальне поля, коефіцієнт запасу q та шлях до термоядерного запалювання.
Схожі симуляції
Про магнітне утримання плазми в токамаку
Токамак (від рос. «тороидальная камера с магнитными катушками») утримує гарячу плазму в посудині у формі пончика (тороїдальній) за допомогою комбінації тороїдального й полоїдального магнітних полів. Результуючі гвинтові силові лінії обвиваються навколо тора у вкладених поверхнях потоку, не даючи частинкам дрейфувати назовні. Ця конструкція, розроблена в СРСР у 1950–1960-х роках, є провідним підходом до досягнення керованого термоядерного синтезу, а ITER (що будується у Франції) прагне досягти коефіцієнта підсилення енергії синтезу Q = 10.
Ця симуляція візуалізує гвинтові силові лінії магнітного поля, утворені суперпозицією тороїдальної та полоїдальної складових поля, ключові дрейфові рухи частинок (градієнтний дрейф, дрейф кривизни) та поняття коефіцієнта запасу q — кількість тороїдальних обертів, які робить силова лінія на кожен полоїдальний оберт. Ірраціональні значення q необхідні для МГД-стабільності та уникнення резонансних поверхонь, що можуть спровокувати нестабільності.
Часті запитання
Що таке токамак і як працює магнітне утримання?
Токамак використовує потужне тороїдальне магнітне поле (5–12 Тл у сучасних установках), створене надпровідними котушками, плюс полоїдальне поле від тороїдального струму плазми, індукованого центральним соленоїдом. Комбіновані силові лінії поля закручуються гвинтоподібно навколо тора, утримуючи плазму подалі від стінок судини. ITER матиме об'єм плазми 840 м³ і має на меті виробляти 500 МВт термоядерної потужності з 50 МВт вхідного нагріву.
Що таке коефіцієнт запасу q і чому він має бути ірраціональним?
Коефіцієнт запасу q = r Bt/(R Bp) вимірює, скільки разів силова лінія обвивається тороїдально за один полоїдальний оберт. Раціональні значення q (наприклад, q = 2, 3/2) означають, що силові лінії замикаються самі на себе після скінченної кількості обертів, дозволяючи резонансним МГД-нестабільностям («розривним модам») зростати на цих поверхнях потоку. Ірраціональні значення q змушують силові лінії ергодично покривати всю поверхню потоку, запобігаючи росту резонансних мод і покращуючи стабільність плазми.
Яку термоядерну реакцію прагне підтримувати токамак?
Основна реакція — D + T → ⁴He (3,5 МеВ) + n (14,1 МеВ), де D — дейтерій, а T — тритій (ізотопи водню). Нейтрон несе 80% енергії й буде поглинутий у літієвій оболонці для відтворення тритію та генерування тепла. При 150 мільйонах кельвінів (у 10 разів гарячіше за ядро Сонця) ядра дейтерію й тритію долають кулонівський бар'єр і зливаються. Критерій Лоусона вимагає nτE T > 3 × 10²¹ м⁻³·с·кеВ для запалювання.
Які основні дрейфи частинок у плазмі токамака?
Навіть в ідеально тороїдальному полі заряджені частинки зазнають градієнтного дрейфу (vG ∝ ∇B × B/B²) та дрейфу кривизни (vC ∝ Rc × B/B²), обидва перпендикулярні до поля та напрямку градієнта/кривизни. Ці дрейфи спрямовані в протилежні боки для іонів та електронів, створюючи розділення заряду, яке б спричинило дрейф плазми назовні, якби не протидіяло полоїдальне поле. Гвинтова навивка силових ліній усереднює ці дрейфи, забезпечуючи утримання.
Що таке бета плазми і чому це важливо?
Бета (β) — це відношення тиску плазми до магнітного тиску: β = 2μ₀nkBT/B². Вона вимірює, наскільки ефективно магнітне поле утримує плазму. Висока β означає більше термоядерної потужності на одиницю енергії магнітного поля. Типові токамаки працюють при β ≈ 1–5%. Перевищення межі Тройона (βmax ≈ 3,5 I/(aB) у практичних одиницях) провокує балонні та кінк-нестабільності, що порушують плазму.
Що таке ELM та зриви?
Локалізовані на краю моди (ELM) — це періодичні нестабільності на межі плазми, що періодично викидають сплески енергії та частинок. У пристроях масштабу ITER великі ELM можуть скинути 10–20 МДж на дивертор за 0,1–1 мс, потенційно пошкоджуючи компоненти, звернені до плазми. Зриви — це раптові повні втрати утримання плазми, що вивільняють накопичену енергію (до 400 МДж в ITER) за мілісекунди. Стратегії пом'якшення включають ін'єкцію подрібнених пелет та ін'єкцію «вбивчого» газу.
Наскільки гарячою має бути плазма і як її нагрівають?
Термоядерні реакції вимагають температури плазми 100–200 мільйонів К (10–20 кеВ). Методи нагріву включають омічний нагрів (плазма діє як резистор, але її опір падає з T, обмежуючи це ~20 млн К), інжекцію нейтральних пучків (NBI: швидкі нейтральні атоми з енергією 80–1000 кеВ) та радіочастотний нагрів на іонно-циклотронній (ICRH) або електронно-циклотронній (ECRH) частотах. ITER використовуватиме 73 МВт комбінованого нагріву NBI та РЧ.
Що таке надпровідні магніти і чому їх використовують у токамаках?
Надпровідні магніти проводять струм з нульовим електричним опором нижче критичної температури. ITER використовує провідники Nb3Sn, охолоджені до 4 К (−269°C), що несуть 68 000 А для створення полів 11,8 Тл. Порівняно зі звичайними мідними магнітами, надпровідні магніти не споживають омічної потужності в самих котушках, роблячи великі стаціонарні магнітні поля економічно доцільними. Уся магнітна система ITER зберігає 51 ГДж магнітної енергії.
Яка різниця між токамаком і стеларатором?
Токамак потребує тороїдального струму плазми (зазвичай індукованого трансформаторною дією) для генерування полоїдального поля, що створює ризик зривів. Стелератор використовує спеціально форовані гвинтові котушки для створення обох полів зовні, без чистого струму плазми і, отже, без зривів. Стелератор Wendelstein 7-X у Німеччині — найбільший у світі; його складна геометрія котушок оптимізована обчислювально для мінімізації дрейфів частинок і турбулентності.
Що таке ITER і коли він вироблятиме термоядерну плазму?
ITER (Міжнародний термоядерний експериментальний реактор) — це токамак вагою 23 000 тонн і об'ємом 840 м³, що будується в Кадараші, Франція, 35 країнами. Він розрахований на вироблення 500 МВт термоядерної потужності з 50 МВт вхідної — приріст Q = 10 — в імпульсах плазми тривалістю 300–500 секунд. Перша плазма очікується близько 2025–2027 років; експерименти з дейтерій-тритієвим синтезом заплановані на середину 2030-х. ITER — це експеримент, а не електростанція; наступний проєкт DEMO має на меті продемонструвати комерційну термоядерну електроенергію.