Tokamak

Tokamakje mašina za proizvodnjutoroidalnogmagnetskog polja za razgraničenjeplazme.To je jedan od najviše istraživanih kandidata za proizvodnju kontroliranetermonuklearne fuzijske energije.U novije sevrijemeuređaji ovakvog tipa nazivaju zajedničkim imenomfuzijski reaktori.

Pojamtokamakjetransliteracijaruske riječiтокамакkoja je sama po sebi kratica od ruske riječi: "тороидальнаякамера вмагнитныхкатушках "– toroidalna komora smagnetiziranim zavojnicama(vjerovatnotochamac). Alternativna, vjerovatno starija, skraćenica postoji, značenja toroidalna komora sa aksijalnim magnetskim poljem (toroidal'nayakamera s polemaksial'nym magnitnym).^[1]Izumljen je 1950-ih od stranesovjetskihfizičaraIgora Yevgenyevicha TammaiAndreja Saharova(koji je bio inspiriran originalnom idejomOlega Lavrentyevog^[2]).

Tokamak se odlikujeazimutnom(rotacijskom) simetrijom i upotrebom plazme koja prenosi električnu struju za generiranjespiralnekomponente magnetskog polja potrebne za stabilnu ravnotežu. To se može usporediti s drugim fuzijskimreaktorom,stelaratorom,koji ima diskretnu rotacionu simetriju i u kojoj se magnetska polja proizvode od strane vanjskih navoja u kojima se stvara zanemarivaelektrična strujakoja teče kroz plazmu.

Historija

Iako je istraživanje nuklearne fuzije započelo ubrzo nakonDrugog svjetskog rata,programi su prvobitno bili tajna. Tek su na konferencijiUjedinjenih nacija1955. (International Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy u Ženevi) ti programi bili otkriveni i međunarodna naučna saradnja je mogla započeti.

Eksperimentalna istraživanjatokamaka započela je 1956. grupa sovjetskihnaučnikapredvođenihLev ArcimovičemnaKurchatov-om institutuuMoskvi.Grupa tih naučnika je konstruirala prvi tokamak, najuspješnija verzija od njih je bio verzijaT-3,a najveća je bila verzijaT-4.T-4 je bila testirana u 1968. uNovosibirsku.^[3]

Godine 1968., na trećemIAEAu Novosibirsku, ruski naučnici su objavili da su postigli temperatureelektronaod preko 1000 eV u tokamaku. To je iznenadilobritanskeiameričkenaučnike koji su bili daleko od postizanja takvih preformansi. Oni su ostali sumnjičavi dok tek nekoliko godina kasnije nisu bili provedeni novi testovi, potvrđujući ispravno mjerenje temperature.

Toroidalni dizajn

Ionii elektroni u centru fuzijske plazme su na vrlo visokim temperaturama te imaju razmjerno velikebrzine.U cilju održavanja procesa fuzije,česticeiz vruće plazme moraju biti zadržane u središnjem dijelu, ili će se plazma brzo ohladiti. Fuzijski reaktori iskorištavaju činjenicu da na nabijene čestice u magnetskom polju djelujeLorentzova sila.

Rano istraživani fuzijski reaktori bili su na varijantiZ-pinchi koriste električnu struju za generiranjepoloidalnog magnetskog poljakoje bi plazmu zadržalo uz linearnuosizmeđu dvije tačke. Istraživači su otkrili da su plazme zatvorene u toroidalnom obliku (vidi sliku, gornji crtež), u kojimamagnetne silniceteku paralelno u odnosu na toroidalnu os, sklone nestabilnosti.Dizajnitokamaka istelaratorakombiniraju poloidalna polja (vidi sliku; crtež u sredini pokazuje poloidalno polje) storoidalnim poljimaza stabiliziranje plazme, čineći potpomognutu fuziju izvedivom. Paralelni protok čestica (ali ne i okomit) namagnetsko polje,u toroidalno-poloidalnom magnetskom polju, uvija se u spiralni put duž toroidalne osi (vidi sliku; donji crtež).

Zagrijavanje plazme

U operativnom fuzijskom reaktoru, dio energije koji se generira će služiti za održavanje temperature plazme dok se novideuterijitricijuvode. Međutim, kod pokretanja reaktora, bilo iz početka ili nakon privremenog isključivanja, plazma će se morati zagrijati na svoju radnutemperaturuveću od 10 keV (preko 100 milionastepeni Celzijusa). U postojećim tokamacima, eksperimentom magnetske fuzije ne proizvodi se dovoljno energije potrebne za održavanje temperature plazme.

Ohmsko zagrijavanje

Budući da je plazmaelektrični provodnik,moguće je zagrijati plazmu induciranjem struje u njoj, u stvari,inducirana strujakoja zagrijava plazmu obično stvara poloidalno polje. Struja se inducira sporim povećanjem jačine struje koja protiče kroz elektromagnetskinamotpovezan s plazmom: plazma se može promatrati kao sekundarni namot transformatora. To je inerentni ritmični proces, jer postoji ograničenje jačine struje koja može proći kroz primarni namot. Tokamaci stoga moraju raditi u kratkim periodima ili se oslanjati na druge načinegrijanjai provođenja struje. Grijanje uzrokovano induciranom strujom zove se ohmsko (ili otporno) grijanje, to je ista vrsta grijanja koja se javlja u električnoj sijalici ili električnom grijaču. Generiranetoploteovise o otporu plazme i struje. Ali, kako i temperatura zagrijane plazme raste,otporse smanjuje i ohmsko grijanje postaje sve manje efikasno. Čini se da je maksimalna temperatura plazme ostvaruje ohmskim grijanjem u tokamaku oko 20-30 miliona stepeni Celzijusa. Da bi se postigle još više temperature, moraju se koristiti metode dodatnog grijanja.

Injektiranje neutralnog snopa

Injektiranjeneutralnog snopa uključuje uvođenje atoma visoke energije (velikom brzinom) na ohmsko grijanu, magnetski zatočenu plazmu.Atomisu ionizirani dok prolaze kroz plazmu te budu zatvoreni od strane magnetnog polja. Visoko energizirani ioni tada prenose dio svoje energije na čestice plazme neprestanimsudarimas njima, povećavajući tako temperaturu plazme.

Magnetska kompresija

Plinmože biti zagrijankompresijom.Na isti način, temperatura plazme se povećava ako je brzo komprimirana pojačanjem magnetnog polja. U ovom sistemu tokamaka kompresija se postiže jednostavnim pomicanjem plazme u područje jakog magnetnog polja (tj., radijalno prema unutra). Budući da kompresija plazme zbližavaione,proces ima dodatnu korist od olakšanog postizanja potrebnegustoćeza fuzijske reaktore.

Radiofrekvencijsko zagrijavanje

Visokofrekventne elektromagnetske talase generirajuoscilatoriizvan torusa. Akoelektromagnetni talasiimaju ispravnefrekvencije(ili valnu dužinu) i polarizaciju, njihovaenergijamože biti prenesena na nabijene čestice u plazmi, koje se opet sudaraju s drugim česticama plazme, čime se povećava temperatura plazme.

Hlađenje tokamaka

Tokamak sadrži reaktivnu plazmu koja se spiralno omotava oko reaktora. Budući da je potreban veliki brojreakcijau sekundi da bi se održala reakcija u tokamaku,neutronivisoke energije se oslobađaju brzo u većim količinama. Ti neutroni više nisu toroidalnim magnetima zadržani u toku plazme te mogu nastaviti sve dok se ne zaustave na zidu tokamaka. To je velika prednost tokamak reaktora jer su to neutroni vrlo visoke energije; oslobođeni neutroni pružaju jednostavan način odvođenja toplote iz protoka plazme. Unutrašnji zid tokamaka se morahladiti,jer su ti neutroni na vrlo visokim temperaturama te bi mogli rastopiti zid reaktora.Kriogeni sistemse koristi za hlađenje magneta i unutrašnjeg zida reaktora. Uglavnom se za hlađenje koriste tekućiheliji tekućiazot.^[4]

Keramičkeploče posebno dizajnirane kako bi mogle podnijeti visoke temperature, također su postavljene s unutrašnje strane zida reaktora kako bi zaštitilemagneti reaktor.

Eksperimentalni tokamaci

Trenutno u upotrebi

(u hronološkom redu od početka operacije)

T-10, u Kurchatov Institut, Moskva,Rusija(bivšiSovjetski Savez), 2 MW, u upotrebi od 1975.
TEXTOR, uJülich,Njemačka,u upotrebi od 1978.
Joint European Torus(JET), uCulhamu,Ujedinjeno Kraljevstvo;16 MW, u upotrebi od 1983., do kraja 2023.
JT-60, uNaka,Ibaraki prefektura,Japan;u upotrebi od 1985.
Stor-M, Univerzitet uSaskatchewanu,Kanada;u upotrebi od 1987.: prvo predstavljanje izmjenične struje u tokamaku.
Tore Supra, u HUP,Cadarache,Francuska,u upotrebi od 1988.
Aditya, u Institut za istraživanje plazme (Institute for Plasma Research,IPR) uGujaratu,Indija,u upotrebi od 1989.
DIII-DuSan Diego,SAD;General Atomics; u upotrebi od kasnih 1980-ih
COMPASS, uPragu,Češka Republika,u upotrebi od 2008., prethodno u upotrebi od 1989.-1999. u Culhamu, Velika Britanija
FTU, uFrascati,Italija;u upotrebi od 1990.
Tokamak ISTTOK, na IPFN - Instituto Superior Técnico,Lisabon,Portugal;u upotrebi od 1991.
ASDEX Upgrade, uGarchingu,Njemačka, u upotrebi od 1991.
Alcator C-Mod,MIT,Cambridge,SAD; u upotrebi od 1992.
Tokamak à configuration variable (TCV), na EPFL-u,Švicarska;u upotrebi od 1992.
TCABR, na Sveučilištu u Sao Paulo,Sao Paulo,Brazil;u upotrebi od 1994.
HT-7, uHefei,Kina,u upotrebi od 1995.
Mast, u Culhamu, Ujedinjeno Kraljevstvo; u upotrebi od 1999.
NSTX uPrincetonu,New Jersey,u upotrebi od 1999.
ISTOK (HT-7U), u Hefei, Kina, u upotrebi od 2006.
KSTAR,uDaejon,Južna Koreja,u upotrebi od 2008.
SST-1,uInstitutu za istraživanje plazme Gandhinagar,Indija; 1.000 sekundi rada; 2012.

Donedavno u upotrebi

LT-1,grupa fizičara sa Australijskog Nacionalnog univerziteta napravila prvi tokamak izvan Rusije oko 1963.
T-3,u Kurčatovom Institutu, Moskva, Rusija (bivši Sovjetski Savez);
T-4,u Kurčatovom Institutu, Moskva, Rusija (bivši Sovjetski Savez), u upotrebi od 1968.
Teksas Burna Tokamak,Univerzitet uTeksasu,SAD; u upotrebi od 1971.-1980.
Alcator i Alcator C,MIT, SAD; u upotrebi od 1975. do 1982. i od 1982. do 1988.
TFTR,Univerzitet Princeton,SAD; u upotrebi od 1982. do 1997.
CASTOR,u Pragu, Češka Republika, u upotrebi od 1983. do 2006.
T-15,u Kurčatovom Institutu, Moskva, Rusija (bivši Sovjetski Savez), 10 MW, u upotrebi od 1988. do 2005.
UCLA Electric Tokamak,uLos Angelesu,Ujedinjeno Kraljevstvo; u upotrebi od 1999.-2005.
Tokamak de Varennes;Varennes,Kanada,u upotrebi od 1987. do 1999.; upravljaoHydro-Québeci koristili istraživači izInstitut de Recherche électricité en du Québec (IREQ)iInstitut National de la Recherche Scientifique (INRS)
STARTu Culham-u, Ujedinjeno Kraljevstvo; u upotrebi od 1991. do 1998.
COMPASSu Culham-u; u upotrebi sve do 2001.

Planirano

ITER,u Cadarache-u, Francuska; 500 MW, prva plazma očekuje se 2025.
DEMO,2000 MW, kontinuirano u upotrebi, povezan na naponsku mrežu, nakon ITER-a

Također pogledajte

Reference

^Merriam-Webster Online
^Bondarenko B D "Role played by O A Lavrent'ev in the formulation of the problem and the initiation of research into controlled nuclear fusion in the USSR" Phys. Usp. 44 844 (2001) availableonline
^Great Soviet Encyclopedia,3rd edition, entry on "Токамак", available onlinehere Arhivirano3. 6. 2016. naWayback Machine
^"Tokamak Cryogenics reference".Arhivirano soriginala,22. 3. 2012.Pristupljeno 1. 5. 2010.

Vanjski linkovi

Commons logo

Commonsima datoteke na temu:Tokamak

CCFE Arhivirano28. 10. 2020. naWayback Machine- stranica britanskog fuzionog istraživačkog centraCCFE.
Nauka o plazmi- stranica o tokamacima iz francuskogCEA.
Fusion Programs Arhivirano4. 10. 2009. naWayback MachinenaGeneral Atomics,uključujući DIII-D, eksperimentalni tokamak uNational Fusion Facility.
Seminar fizike fuzije i plazme Arhivirano15. 12. 2009. naWayback Machinena MIT OCW
Unofficial ITER fan club,Klub za ljubitelje najvećeg tokamaka planiranog da bude izgrađen u bliskoj budućnosti.
www.tokamak.infoObiman spisak trenutnih i bivših tokamaka, širom svijeta.
SSTC-1Overviewvideo koncepta tokamaka male razmjere
SSTC-2Section ViewVideo koncepta tokamaka male razmjere
SSTC-3Fly ThroughVideo koncepta tokamaka male razmjere
[1]Informacije o uslovima neophodnim za nuklearne reakcije u tokamak reaktoru

[1] Merriam-Webster Online

[2] Bondarenko B D "Role played by O A Lavrent'ev in the formulation of the problem and the initiation of research into controlled nuclear fusion in the USSR" Phys. Usp. 44 844 (2001) availableonline

[3] Great Soviet Encyclopedia,3rd edition, entry on "Токамак", available onlinehere Arhivirano3. 6. 2016. naWayback Machine

[4] "Tokamak Cryogenics reference".Arhivirano soriginala,22. 3. 2012.Pristupljeno 1. 5. 2010.

[1]

[2]

[3]

[4]