Токамак. 
Термоядерный реактор

ТОКАМАК — тороидальная камера магнитная. Это один из вариантов устройства, способного формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности. При достижении определенных параметров плазмы в ней начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из исходного сырья —изотопов водорода (дейтерия и трития). При этом в токамак-реакторе должно вырабатываться существенно больше энергии, чем затрачивается на формирование плазмы.

Впервые схема магнитного термоядерного реактора была предложена в 1950 году Андреем Дмитриевичем Сахаровым и Игорем Евгеньевичем Таммом. Токамак представляет по сути полый бублик (тор), на который намотан проводник, образующий магнитное поле. Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками. Существенную роль в удержании плазмы играет плазменный ток, который протекает вдоль кругового плазменного шнура и создает полоидальное магнитное поле. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом плазменный виток играет роль вторичной обмотки.

УНУ Глобус-М представляет собой сферический токамак нового поколения, предназначенный для исследования физических процессов в плазме сферической конфигурации и отработки инженерных рекомендаций для сферических токамаков мегаамперного диапазона. Основные параметры сферического токамака Глобус-М приведены в таблице 1. Электромагнитная система (ЭМС) токамака спроектирована по классической схеме, когда все обмотки расположены вне вакуумной камеры. Полоидальная система токамака ориентирована на создание плазменного шнура различных конфигураций (Рисунок 3).

Магнитные конфигурации плазменного шнура Глобус-М, слева — лимитерная, справа — диверторная Вакуумная камера токамака Глобус-М объемом около 1,1 м³ представляет собой цельносварную конструкцию из нержавеющей стали. Она имеет 38 диагностических патрубков общей площадью 0,8 м², что обеспечивает хороший доступ к плазме для диагностического комплекса и источников дополнительного нагрева. Основная часть обращенной к плазме поверхности, наиболее подверженная воздействию плазменных потоков, защищена плитками, изготовленными из специального типа графита РГ-Ti91, который обладает малыми коэффициентами распыления и имеет высокую теплопроводность.

Фотография внутренней поверхности вакуумной камеры с установленным графитовым покрытием. В середине фотографии хорошо виден центральный столб В качестве дополнительного нагрева плазмы, на УНУ Глобус-М применяются два основных метода. Хорошо изученный метод инжекции пучка высокоэнергичных атомов характеризуется мощностью пучка до 1 МВт и энергией инжектируемого водорода/дейтерия до 30 кэВ. Инжектор высокоэнергичных атомов внешне выглядящий как крупная цистерна серого цвета видна на заднем плане рисунка 2. Благодаря наличию в конструкции вакуумной камеры люков большого сечения, удалось без потерь ввести пучок атомов сечением 150 Ч 80 мм². Вторым методом является высокочастотный нагрев плазмы на частотах ионно-циклотронного резонанса с частотой 7,5 МГц и мощностью до 0,3 МВт.

Основные характеристики УНУ Глобус-М приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Основные характеристики УНУ Глобус-М.

Диагностический комплекс УНУ Глобус-М состоит из большого числа мониторных диагностик, работающих постоянно: датчики токов и напряжений в обмотках магнитной системы токамака, набор петель и зондов магнитной диагностики, СВЧ-интерферометр, детекторы оптического (коллимированные и обзорные датчики светимости линий водорода и дейтерия, датчики излучения легких примесей, обзорные спектрометры) и рентгеновского (мягкого и жесткого) излучения, болометры, зонды Ленгмюра и др.

В зависимости от задач, стоящих перед экспериментом, могут подключаться сложные диагностические системы, требующие участия оператора или передающие большой объем дополнительной информации в базу данных установки, такие как диагностика томсоновского рассеяния, диагностика потоков атомов перезарядки, быстрая видеокамера оптического диапазона.

С помощью диагностики томсоновского рассеяния, профиль температуры и плотности электронов измеряется по пяти пространственным точкам вдоль малого радиуса с внутренней стороны плазменного шнура. Диагностика позволяет производить до 20 измерений за разряд в заранее заданных временных точках. Минимальный интервал между соседними измерениями не превышает 500 мкс. Ионная температура определяется по потокам атомов перезарядки с помощью анализатора АКОРД-12, линия наблюдения которого направлена вдоль большого радиуса токамака. Анализатор позволяет одновременно производить измерения потоков атомов водорода и дейтерия по шести энергетическим каналам для каждого изотопа. Минимальное временное разрешение прибора составляет 1 мс. Второй аналогичный анализатор имеет линию наблюдения, направленную в тороидальном направлении.

Для сбора информации на установке имеется более 500 цифровых каналов записи. Получаемая во время импульса информация (более 150 Мб за импульс) хранится в базе данных разрядов и доступна для удаленного доступа через сеть Internet.

Легче всего происходит слияние ядер изотопов водорода — дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон. Дейтерий есть в воде — примерно один атом на 6500 атомов водорода. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. При синтезе ядер дейтерия и трития образуются гелий He с атомной массой, равной четырем, нейтрон n, и выделяется энергия — 17,6 МэВ:

D + T = 4He + n + 17,6 МэВ.

Другой вариант — слияние двух ядер дейтерия. Оно происходит по двум каналам примерно с одинаковой вероятностью: в первом образуются тритий, протон p и выделяется 4 МэВ, во втором — гелий с атомной массой 3, нейтрон и 3,25 МэВ:

D + D = T + p + 4,0 МэВ,.

D + D = 3He + n + 3,25 МэВ.

Скорость реакции D + T в сотни раз выше, чем для реакции D + D. Поэтому, используя реакцию D + T, значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на организацию процессов слияния. Возможны и реакции синтеза с участием других элементов — лития, бора и др. Однако эти реакции протекают с нужной скоростью при таких температурах, которые мы даже не будем называть, чтобы не пугать читателей.

Как сказано выше, тритий нестабилен (период полураспада 12,4 года), но его предполагается получать на месте, из изотопа лития и получающихся в реакторе же нейтронов:

6Li + n = Т + 4He + 4,8 МэВ.

Одновременно этот же литий (система, его содержащая, называется бланкетом) нагревается и может служить теплоносителем в первом, радиоактивном контуре. Далее он передает тепло второму контуру, в котором водичка испаряется, далее как обычно — турбина, генератор, провода, ласковый свет настольной лампы и читатель с химией и всей этой жизнью в руках.

Проблема заключается в том, что слиянию ядер препятствуют электрические силы расталкивания. Поэтому для синтеза необходимо преодолеть кулоновский барьер, то есть совершить работу против сил расталкивания, сообщая ядрам необходимую энергию. Существуют три возможности. Первая — разогнать в ускорителе пучок ионов и бомбардировать ими твердую мишень. Этот путь неэффективен — энергия расходуется на ионизацию атомов мишени, а не на сближение ядер. Второй путь — направить навстречу друг другу два ускоренных пучка ионов. Этот путь неэффективен из-за низкой концентрации ядер в пучках и малого времени их взаимодействия. Другой путь, по которому и направились физики, нагрев вещества до высоких температур (порядка 100 млн градусов). Чем выше температура, тем выше средняя кинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.

Плазма живет в магнитном поле. Постоянное поле можно было бы создать постоянным магнитом, хотя здесь есть ограничения. Но в данном случае вопрос о постоянном магните не возникает, потому что поля нужны переменные. Значит — электромагнит. В нем есть обмотка, у обмотки есть сопротивление, а при протекании по ней тока выделяется тепло. Когда это происходит в плазме, тепло идет в дело, а в обмотке — все наоборот. И тепло надо отводить (сгоревшая изоляция неэкологична…), и энергию на пропихивание тока по обмоткам приходится тратить. Причем с токамаком ситуация такова, что на работу электромагнитов тратилась бы заметная доля полученной энергии. Причем эта ситуация в новой энергетике возникает не первый раз. Когда собирались делать магнитогидродинамический генератор, тоже возникла проблема питания магнита. Решение известно: сверхпроводимость.

Сечение сверхпроводящих проводов.

«В качестве прототипа конструкции провода S-12 использован композит Sn—P. В сверхпроводнике S-12 семь многоволоконных модулей с периферийным источником олова размещены в танталовом диффузионном барьере с внешней стабилизирующей медью. Волокна сверхпроводящего провода S-12 содержали 2 ат. % титана, введенного в них усовершенствованным методом «искусственного легирования». Термическая обработка провода S-12 с целью формирования соединения Nb3Sn проводилась в вакууме по многоступенчатому режиму. Поперечное сечение провода S-12 после окончательной термической обработки представлено на рисунке… В результате различных улучшений, реализованных в конструкции сверхпроводника S-12, по сравнению с проводом Sn-P, была получена высокая плотность критического тока… Повышение токонесущей способности объясняется формированием особо мелкозернистой структуры слоев соединения Nb3Sn в сверхпроводнике S-12 с размером зерен порядка 50−60 нм.