Магнитное поле в токамаке
Теория, практика, проблемы, решения.
Схема принципиальных узлов ТОКАМАКа
В токамаке плазма изолируется от стенок камеры с помощью магнитного поля. Магнитное поле в токамаке является результирующей суммой магнитных полей:
1. Тороидальные катушки создают продольное магнитное поле вдоль оси тора (оно направлено как плазменный шнур, см. рис.).
2. Ток текущей по плазме создает магнитное поле вокруг себя (оно направлено как тороидальные катушки см. рис.)
В результате суммы этих двух полей получается винтовое магнитное поле, показанное на рисунке.
Однако, как оказалось этого не достаточно. При такой конфигурации на частицы действует сила, направленая по большому радиусу тора, и плазменный шнур разлетелся бы.
Сечение современного ТОКАМАКа DIII-D с вытянутой по вертикали плазмой и диверторной магнитной конфигурацией.
Благодаря дивертору часть частиц со стенок вакуумной камеры, поступающих в силу неизбежного обмена плазма-стенка, удаляются из периферии плазмы. Они не успевают проникнуть в центр плазменного шнура и остудить его. Однако использование дивертора связано с огромными технологическими трудностями.
1. Материал пластин дивертора не должен легко распыляться, что бы самому не загрязнить плазму.
2. Потоки тепла на пластины дивертора достигают нескольких киловатт на квадратный сантиметр площади и существует огромная технологическая проблема теплосъема с этих пластин, что бы не допустить их быстрого разрушения.
Таблица. Основные параметры больших экспериментальных ТОКАМАКов. ТОКАМАК TFTR, уже, выполнил свою программу и был остановлен в 1997 г. Остальные машины продолжают работать.
Токамак
Термин «токамак» был предложен И. Н. Головиным в 1955-1956 гг.
Это аббревиатура слов ТОк, КАмера, МАгнитная Катушка, обозначающих основные элементы устройства.
Магнитное поле служит для удержания высокотемпературной плазмы (1) в тороидальной вакуумной камере (2), ограждая плазму от контакта со стенками камеры.
В токамаке магнитное поле складывается из поля катушек (3) и поля (4) тока (5), текущего непосредственно по плазме в тороидальном направлении (тороидального тока).
Поле тока перпендикулярно направлению самого тока и полю катушек.
Оно закручивает силовые линии магнитного поля по винту, и в итоге они образуют набор вложенных друг в друга тороидальных поверхностей.
Такая магнитная конфигурация обеспечивает равновесие плазмы в токамаке, устраняя тороидальный дрейф заряженных частиц плазмы.
Отдельная заряженная частица может удерживаться в токамаке бесконечно долго; т. е. токамак является идеальной ловушкой.
Потери плазмы в устройстве определяются переноса процессами, связанными со столкновениями частиц и турбулентностью плазмы.
Обмотки (6) служат для создания вертикального поля, обеспечивающего удержание плазменного шнура в целом, и позволяют контролировать форму его сечения.
Отличительная черта токамака – присутствие электрического тока.
Для его создания применяется принцип обычного трансформатора с индуктором (7).
Первичной обмоткой трансформатора служит центральный соленоид (8), а вторичной, одновитковой обмоткой – собственно плазма.
Ток в токмаке создает необходимую для удержания плазмы компоненту магнитного поля и нагревает плазму.
Благодаря такому сочетанию удержания и нагрева токамак занял лидирующее место среди других систем магнитного УТС, таких как стеллараторы, открытые ловушки, пинчи, пинчи с обращенным полем и др.
Однако ток может служить и причиной неустойчивостей плазмы, наиболее опасная из которых – неустойчивость срыва, приводящая к выбросу плазмы на стенку и прекращению разряда в токамаке.
Задача длительного поддержания тока – главная трудность в обеспечении стационарной работы токамака.
Что такое Токамак? Просто о термоядерном реакторе
Можете ли вы представить себе мир, в котором не нужны никакие дополнительные источники энергии? Мир, в котором не надо будет задумываться о том, как экономить энергию. Она будет если и не бесплатной, то очень дешевой. А теперь представьте Солнце, которое каждую секунду вырабатывает столько энергии, сколько человечество не израсходовало за всю свою историю и не израсходует еще долго. Как же мы можем реализовать получение энергии Солнца на нашей планете? Оказывается, уже более 60 лет существуют технологии, которые способны обеспечить нас почти неисчерпаемыми источниками энергии за минимальные деньги и с использованием почти бесплатного топлива. Резонный вопрос: почему мы не пользуемся такой возможностью?
Внутри этой камеры температура поднимается до нескольких миллионов градусов Цельсия.
Что такое токамак
Само слово ”токамак” ничего не обозначает — это просто сокращение, которое потом стало полноценным словом. Его используют не только в России, но и за рубежом, так как именно в нашей стране эту штуку придумали и именно у нас они долгое время активно развивались.
Суть токамака сводится к тому, чтобы создать магнитное поле, в котором будет протекать реакция термоядерного синтеза. Так как температура такой реакции не просто высокая, а буквально запредельная (несколько миллионов градусов Цельсия), ее нельзя проводить просто внутри какой-то камеры — она расплавится задолго до достижения рабочей температуры.
Такая температура достигается из-за того, что внутри токамака вещество находится в четвертом агрегатном состоянии, которое достигается при таких высоких температурах. Такое состояние называется плазма.
Кто изобрел токамак
Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О.А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.
О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.
Спустя год другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.
Тор (тороид) — представляет собой объемную фигуру, получающуюся в результате вращения кольца вокруг центра вращения. Грубыми примерами тора могут служить пончик, бублик или велосипедная камера, вынутая из колеса.
Термин для обозначение токамака был предложен учеником академика Курчатова — И.Н. Головиным. Правда, в его варианте это должен был быть ”Токамаг” (тороидальная камера магнитная), но позже стали использовать более благозвучное слово ”Токамак”.
А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм
Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, так как мало кто верил в существование внутри камеры такой высокой температуры. Только после того, как в токамаке Т-3 в Институте атомной энергии им И.В. Курчатов побывали английские ученые и на своем оборудовании подтвердили существование температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному росту популярности и исследований в этом направлении в мире.
Токамак и сейчас считается самым перспективным способом получения энергии термоядерного синтеза и изучения плазмы, как агрегатного состояния вещества.
Как работает токамак
Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.
Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.
Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.
Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.
Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.
Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.
Контакта стенок токамака с плазмой нет и поэтому они не плавятся, но они все равно испытывают серьезные нагрузки. Из-за этого стенки делаются из бериллия и нарезаются маленькими квадратными пластинками. Так им проще отводить тепло.
Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.
Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.
Самый большой термоядерный реактор
Конечно, можно сказать, что самый большой термоядерный реактор — это Солнце, но все это условно, есть звезды и побольше. Самый большой термоядерный реактор на Земле — это ”Международный экспериментальный термоядерный реактор” (ИТЭР или ITER). Он строится на юге Франции с 2007 года и, как и большой адронный коллайдер, является международным проектом.
Для того, чтобы описать его возможности, достаточно только сказать, что внутри него будет достигаться температура в 150 миллионов градусов Цельсия. Это в 10 раз больше, чем внутри солнечного ядра. Представить себе такие значения просто невозможно.
Кто строит токамак ITER.
Когда ИТЭР будет достроен (о чем мы обязательно расскажем в нашем новостном Telegram-канале), он станет основной изучения термоядерного синтеза для дальнейшего изучения этой реакции атомов, как потенциального источника энергии будущего.
Из интересных цифр ИТЭР можно отметить размер токамака, который составит 28 метров в диаметре и 28 метров в высоту. Проектная мощность составляет 0,5 ГВт (в 2,5 больше самого мощного из того, что есть сейчас). Магнитное поле составит 10 Тесла (магнитное поле Земли составляет 0,00005 Тесла).
Безопасна ли реакция термоядерного синтеза
Главным преимуществом реакции термоядерного синтеза, проходящей внутри токамака, является ее безопасность. Можно удивиться, как такое возможно при достижении таких высоких температур, но это действительно так.
Единственной опасностью является только то, что изотоп трития обладает небольшой радиоактивностью. Впрочем, она не такая высокая, чтобы переживать по этому поводу. Она существенно ниже, чем у топлива для атомной станции. Например, период полураспада уранового топлива составляет почти 5 миллиардов лет (то есть почти никогда), а трития — всего 12 лет. Да и используется его минимальное количество.
Всего 80 грамм смеси дейтерия и трития в токамаке выдают столько же энергии, сколько 1 000 тонн угля при сжигании. Вот и считайте.
Почему энергию не получают из термоядерного синтеза
Несмотря на всю перспективность технологии и то, что о ней заговорили уже более 70 лет назад, пока не получается добиться промышленной работы таких устройств. До сих пор в них есть, что дорабатывать. Например, возможность продолжительной работы и дальнейшее повышение температуры плазмы.
Только представьте себе, как это маленькое солнце будет обеспечивать нас энергией в будущем.
Когда эта проблема будет решена, мы получим на Земле небольшой кусочек Солнца, и тогда можно будет говорить, что мы достигли совершенства в выработке энергии. Конечно, могут изобрести и другие еще более эффективные способы получения энергии, но именно термоядерный синтез сейчас может изменить очень многое. Самое главное, что мы получим не только возможность не выключать свет ради экономии.
Главным плюсом перехода на такой источник энергии является то, что когда вся энергия будет добываться именно из термоядерного синтеза, мы максимально снизим воздействие на нашу планету. Нам будет не нужно ископаемое топливо, мы обойдемся без атомных станций, а заодно пересядем на электрический транспорт и сможем существенно продлить жизнь нашей планете. Может, и улетать никуда не придется.
Токамак
Токамак-реактор на данный момент разрабатывается в рамках международного научного проекта ITER.
Содержание
История
Термин «токамак» был придуман позже Игорем Николаевичем Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» — сокращение от слов «тороидальная камера магнитная», но Н. А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия. Позже это название было заимствовано многими языками.
Устройство
Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.
Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:
Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя так называемые «магнитные поверхности» тороидальной формы.
Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создается за счёт увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом токамаке ограничено. Для преодоления этого ограничения разработаны дополнительные способы поддержания тока. Для этого может быть использована инжекция в плазму ускоренных нейтральных атомов дейтерия или трития или микроволновое излучение.
Кроме тороидальных катушек для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля. Они представляют собой кольцевые витки вокруг вертикальной оси камеры токамака.
Одного только нагрева за счет протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на так называемых резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) или инжекция быстрых нейтральных атомов.
Токамаки и их характеристики
Всего в мире было построено около 300 токамаков. Ниже перечислены наиболее крупные из них.
Термоядерный токамак-стартап
Популярный сайт околоатомных новостей World Nuclear News пишет про запуск (первую плазму) токамака ST40, принадлежащего частной английской компании Tokamak Energy. Новость довольно интересная, особенно если знать контекст, который я попробую и изложить.
Основатель Tokamak Energy Alan Sykes возле разреза ST-40 в масштабе 1 к 1.
Tokamak Energy (TE) основана в 2009 году (по соседству с крупнейшим в мире на сегодня токамаком JET), и с 2012 получило финансирование (на сегодня стартап собрал 35 миллионов долларов) на строительство серии токамаков, ведущих к энергетическому реактору. На фоне ИТЭР стоимостью 20+ миллиардов долларов, не ведущим к энергетическому реактору, смотрится странно? Давайте разбираться.
Основная проблема термоядерного синтеза заключается не в том, что бы получить термоядерную реакцию, а чтобы реактор, в котором мы ее проводим, был разумных размеров. Практически любая из концепция термоядерного синтеза работает, если увеличивать размеры реактора до километров, а мощность — до тераватт, но такие конструкции не применимы в реальной жизни. Суть работы плазмистов в поиске таких конфигураций и размеров термоядерной плазмы, при которых размер ее будет минимальный при разумном усложнении конструкции реактора (например, системами нагрева).
Видео от Tokamak Energy о «первой плазме» ST40. В кадре — вакуумная камера токамака, с системой обогрева для обжига, магнитная система отсуствует. Красивое зеленое свечение — тлеющий разряд для очистки стенок камеры, не имеющий прямого отношения к термоядерной плазме
Сферические токамаки как раз позволяют сделать шаг вниз в плане размера плазменного шнура при той же термоядерной мощности, формально удешевляет реактор. Теоретический базис этого понятен с 1986 года (когда вышла первая статья), и экспериментально подтвержден в 90х. Подробнее об этом я писал в посте про новый российский токамак, тоже сферический.
Сборка вакуумной камеры ST40. В ИТЭР так просто могла бы выглядеть, скажем, емкость для хранения технической воды, не более :).
Фактически, Tokamak Energy пытаются коммерциализировать эту находку плазмистов двадцатилетней давности. На пути к этом стоит множество инженерных сложностей, некоторые из которых выглядят непреодолимыми или во всяком случае — не преодолимыми за разумные деньги. Именно поэтому новости о продвижении TE вперед вызывают смешанные чувства, т.к. понятно, что все эти успехи в какой-то момент закончатся.
На данный момент в активе TE запуск очень маленького токамака (фактически, настольного) ST-25 и затем переделка его на высокотемпературные сверхпроводники, с достижением рекорда удержания плазмы в токамаке в течении 29 часов (правда, плазмы, очень низкой для термоядерных установок температуры и плотности). Следующий токамак, который запустили 28 апреля уже гораздо серьезнее. Серьезнее настолько, что заставляет поверить, что непреодолимые инженерные сложности преодолимы.
Конструкция токамака в будущем будет погружена в большой вакуумный сосуд для теплоизоляции — криостат. Внутри него находится медная магнитная система из тороидальных и полоидальных катушек, внутри которой вакуумная камера токамака. Важной технической особенностью являются merging-compression coils, решающие проблему недостаточного объема в центральной колонне для центрального соленоида.
Итак, ST40. Это чисто исследовательская машина, которая должна стать одним из промежуточных этапов на пути к энергетическому прототипу ST185 (который по плану будет построен в 2025, в чем есть очень серьезные сомнения, о которых в конце). Сферический токамак с радиусом плазменного шнура всего 40 см, вакуумной камерой размером 1,5х2,2 метра — крошка на фоне серьезных машин. После полной достройки он должен достигать параметров плазмы с Q=1. 2 (и соответственно температуры в 10 кэВ, тоже рекордной для таких малых размеров), где Q — отношение термоядерной мощности к подогреву. Напомню, что на сегодня рекорд Q=1.2 для токамака JT-60U с объемом плазмы в десятки раз больше, а расположенный недалеко от ST40 JET, так же с объемом плазмы в 40 раз больше в свое время достиг только Q=0.7. Фактически, если расчетные параметры ST40 подтвердятся, то это будет невероятный прорыв для токамаков.
Моделирование нейтронного выхода ST40 для DT плазмы разными методами. Пересчет с параметров другого сферического токамака MAST дает около 3 мегаватт термоядерной мощности при 2 мегаваттах подогрева, т.е. Q
1,5, однако результат может быть и хуже.
Что именно отличает ST40 от предшественников? Это сферический токамак с достаточно сильным полем в 3 Тесла (надо заметить — рекордным среди сферических токамаков), максимально оптимизированный на получение высокого Q. Высокое поле тут достижение само по себе. Проблема сферических токамаков в том, что физика требует иметь центральную колонну как можно меньшего диаметра (что бы как можно сильнее приблизить форму плазмы к сфере), что означает минимальную площадь для внутренних дуг тороидальных катушек и центрального соленоида. Ток тороидальных катушек определяет силу поля, при том, что плотность тока не может быть выше определенных параметров, что для медной, что для сверхпроводящей системы. Центральный соленоид, в свою очередь, нужен для первичной накачки плазмы энергией, и его размер тоже довольно жестко ограничен снизу.
Медные проводники катушек тороидального поля и центральная колонна. 24 D-образных витка сгрупированные по 3 (нижнее фото слева) на первом этапе будут при запусках в течении 1. 10 секунд проводить ток около 100 кА
Получается, что инженерные ограничения диктуют либо невысокое поле в сферическом токамаке… либо отказ от стандартного подхода к запуску. В ST40 используется новый метод стартового нагрева плазмы и формирования кольцевого тока — компрессия и пересоединение магнитных линий. Это явление ответственно за солнечные вспышки, и умеет очень неплохо греть плазму. Эффективность этого подхода не ясна, и это первая задача ST40 — научится запускать плазменный ток без использование центрального соленоида (небольшой ЦС в конструкции ST40 все равно остается для поддержания плоского профиля тока во время пуска, однако объем его примерно в 10 раз меньше, чем по классической схеме).
Магнитное пересоединение — это такое явление переконфигурации магнитного поля, когда две трубки поля с противоположной направленностью «закорачиваются» и исчезают выделяя энергию. На картинке это внешние трубки доменов «inflow», а энергия выделяется в направлениях вертикальных стрелок.
Вторым инженерным решением в попытке пробиться за ограничения, будет использование охлаждаемой до температуры жидкого азота медной системы. Это в 20-30 раз снижает сопротивление меди, и позволяет поднять плотность тока в десятки раз. Трюк, который позволит маленькому ST40 сравняться с большими дорогостоящими машинами по параметру Q и термоядерной мощности является довольно тупиковым — такое решение не позволяет перейти к токамаку, работающему больше 10 секунд. TE здесь надеются на высокотемпературную сверхпроводимость, однако требуемая инженерная плотность в центральной колонне тока (как минимум 100 ампер на квадратный миллиметр) довольно сложно достижима, с учетом объема, занимаемого электрической и температурной изоляцией, нейтронной защитой, структурной составляющей и т.п. Например, в тороидальных магнитах ИТЭР инженерная плотность тока — всего 11 А/мм^2. Это одно из сложнейших препятствий на пути сферических токамаков, и как его будет решать Tokamak Energy — неизвестно.
Кольцо для закрепления катушек компрессии-пересоединения внутри вакуумной камеры ST40. С одной проблемой из мира термоядерных магнитов — большими деформирующими пондемоторными силами инженеры Tokamak Energy уже столкнулись, но для энергопрототипа эти силы вырастут еще на порядок.
Как я уже говорил, этот проект вызывает смешанные чувства. Одно из них — безусловное удивление и даже восторг от параметров крошечной термоядерной установки, в теории затыкающей за пояс самые серьезные токамаки с государственным финансированием в сотни миллионов долларов. Второе чувство — разочарование от реальности.
В реальности «запуск» ST40 — это всего лишь набор вакуума и очистка внутренних поверхностей тлеющим разрядом в литиевой плазме (красивого зеленого цвета). Магнитная система до сих пор не собрана и не установлена на вакуумную камеру даже в простейшей конфигурации, хотя по планам годичной давности это должно было произойти на рубеже 16/17 года. До рекордов, затыкающих за пояс JET и JT-60U установка еще должна пройти несколько серьезных апгрейдов (установку криостата вокруг токамака, создание системы охлаждения магнитов жидким азотом, апгрейд системы питания магнитов на вдесятеро больший объем запасаемой энергии, установку инжекторов нейтрального луча и т.п.) — при таких темпах работы только эти задачи могут затянуться до 2025 года.
Хотя вакуумная камера ST40 — не такое уже и простое изделие, ее сложность гораздо меньше, чем всей установки, не говоря уже о последующих сверхпроводящих «ST*». Так что инженеры TE еще только в начале пути.
Эти мысли плавно подводят нас к вопросу, на который у меня нет ответа — кто и зачем инвестирует сегодня деньги в термоядерные стартапы по всему миру? Последнее десятилетие виден явный бум таких проектов — Tokamak Energy, Tri Alpha Energy, General Fusion, Helion Energy и другие, при том, что рынок электроэнергетике в депрессии и строительство новых электростанций любого типа нерентабельно без субсидий, за исключением развивающихся стран. Если Tri Alpha развивает идею установки безнейтронного термояда, который, возможно, не потребует лицензирования, а General Fusion надеятся на то, что сработает идея «низкотехнологичного» термояда, то для более-менее традиционных схем сложно представить, как можно окупить такое — так же, как сложно представить себе окупаемость «ядерного реактора в каждый дом», несмотря на инженерную реализуемость подобной установки.
То ли инвесторы до сих пор находятся в парадигме 60-х. 70-х, то ли надеются на новые рынки (например — замещения угольных электростанций в погоне за снижением выбросов СО2), то ли венчурная психология заставляет инвестировать в любые проекты для широких рынков (а рынок электроэнергетики все же один из самых больших). Однако факт остается фактом — в современном мире есть деньги, позволяющие проверять в железе многие «перпендикулярные» идеи, и возможно одна из них даст первую термоядерную энергию еще до выхода ИТЭР на полную мощность.
