Токамак "Глобус–М", ФТИ им. А. Ф. Иоффе
[cut всякие фотографии, интерактивные панорамки и куча текста инсайде]
Токамак — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Этим он отличается от стелларатора, в котором и тороидальное и полоидальное поле создается с помощью магнитных катушек.
Теоретические основы термоядерного реактора, где плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем, были разработаны в 1951 году Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым. Красивый 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. В последующем эта версия была заимствована всеми языками. Первый токамак был построен в 1955 году, и долгое время токамаки существовали только в СССР. Лишь после 1968 года, когда на токамаке T–3, построенном в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством академика Л. А. Арцимовича в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, была достигнута температура плазмы 10 млн градусов и английские ученые со своей аппаратурой подтвердили этот факт, в который поначалу отказывались верить, в мире начался настоящий бум токамаков.
В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
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:
* Нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник (омический нагрев).
* Создает вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется полоидальным (т. е. направленное вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат).
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 т. н. «магнитные поверхности» тороидальной формы.
Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создается за счет 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 т. н. резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) или инжекция быстрых нейтральных атомов.
Через иллюминатор видна внутренняя поверхность камеры.
В центре - белый пульт с главной "красной кнопкой".
Основные параметры эксперимента Глобус–М:
большой радиус плазмы: 0.36 м
малый радиус плазмы: 0.24 м
объем плазмы: 0.5 м3
вытянутость плазмы в вертикальном направлении: до 2.1
магнитное поле: 0.4 Тл
ток по плазме: до 0.36 МА
мощность нагрева плазмы: до 1.7 МВт
габаритный диаметр установки: 2 м
габаритная высота установки: 2.5 м
Термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой–либо аварии тоже мала, и не может привести к разрушению реактора. При этом, в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектирования ИТЭРа большое внимание уделялось радиационной безопасности, как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.
Есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:
* радиоактивный изотоп водорода — тритий
* радиоактивность, наведенная в материалах установки в результате облучения нейтронами
* радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку
* радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения
Для того, чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, специальная система вентиляции будет поддерживать в здании реактора пониженное давление. Поэтому из здания не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.
При строительстве реактора, где только возможно, будут применяться материалы, уже испытанные в ядерной энергетике. Благодаря этому, наведенная радиоактивность будет сравнительно небольшой. В частности, даже в случае отказа систем охлаждения, естественной конвекции будет достаточно для охлаждения вакуумной камеры и других элементов конструкции.
Оценки показывают, что даже в случае аварии, радиоактивные выбросы не будут представлять опасности для населения и не вызовут необходимости эвакуации.
Созданные ранее экспериментальные токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками), предназначенные для исследований в области управляемой термоядерной реакции, весьма громоздки и дороги. "Глобус–М" — первая в России экспериментальная установка для изучения плазмы в сферической камере (диаметр сферы — 1,5 м).
Эксперименты на установке "Глобус–М" показали, что устойчивость плазмы к наиболее опасным видам магнито–гидродинамических возмущений значительно выше, чем в обычных токамаках. Дело в том, что основным препятствием на пути создания промышленного термоядерного реактора являются аномальные потери тепла, обусловленные турбулентностью плазмы. Переход плазмы в состояние с пониженной турбулентностью обусловливает скачкообразное увеличение времени удержания энергии. В этом режиме время удержания тепла может в 6–10 раз превосходить значения, характерные для "обычного" токомака.
"Глобус–М" по заказу физтеха был изготовлен на петербургском "Северном заводе", крупнейшем предприятии ВПК, где в начале 20 века были построены первые русские тяжелые самолеты конструкции Игоря Сикорского. Российский "Глобус–М" оценивается в 5 млн. долл., которые были получены по гранту Международного научно–технического центра (МНТЦ).
Результаты экспериментов на питерском токамаке, предполагается использовать в проекте Международного термоядерного реактора (проект ИТЭР).
Нижний технический этаж. Токамак установлен на металлической треноге, раскрашенной в жёлтый цвет.
Интерактивные панорамки:
< здесь был flash-ролик, но импорт с livejournal.com не позволяет его показать >
http://stanislav.mikov.name/t/tokamak-7.swf
А также:
http://stanislav.mikov.name/t/tokamak-6.swf
http://stanislav.mikov.name/t/tokamak-4.swf
http://stanislav.mikov.name/t/tokamak-2.swf
http://stanislav.mikov.name/t/tokamak-1.swf
[/cut]
Комментариев нет:
Отправить комментарий