Токамак

От / / Оставьте комментарий

Оглавление1 Токамак1.1 История токамака1.2 Развитие и достижения1.3 Проблемы и инициативы1.4 Этимология и терминология1.5 Первые шаги в термоядерном синтезе1.6 Письмо Лаврентьева […]

'Дейтерий', 'Наука и техника в Советском Союзе', 'Советские изобретения', 'токамаки', 'Тритий', Deuterium, Science and technology in the Soviet Union, Soviet inventions, Tokamaks, Tritium

Оглавление

Токамак

  • История токамака

    • Токамак использует магнитное поле для удержания плазмы в форме тора.  
    • Концепция токамака была предложена Олегом Лаврентьевым в 1950-х годах.  
    • Первый токамак был построен в 1954 году в СССР.  

  • Развитие и достижения

    • В 1968 году на токамаке Т-3 была достигнута температура плазмы 1 кэВ.  
    • В 1970-х годах десятки токамаков использовались по всему миру.  
    • В конце 1970-х годов были достигнуты условия для практического термоядерного синтеза.  

  • Проблемы и инициативы

    • В 1985 году возникла Международная инициатива по созданию экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР).  
    • JET остается рекордсменом по мощности термоядерного синтеза.  

  • Этимология и терминология

    • Слово “токамак” происходит от русского “тороидальная камера с магнитными катушками”.  
    • Термин был введен Игорем Головиным в 1957 году.  

  • Первые шаги в термоядерном синтезе

    • В 1934 году Марк Олифант, Пол Хартек и Эрнест Резерфорд достигли термоядерного синтеза на ускорителе частиц.  
    • В 1944 году Энрико Ферми подсчитал, что реакция будет самоподдерживающейся при температуре около 50 000 000 К.  

  • Письмо Лаврентьева и магнитное удержание

    • В 1950 году Олег Лаврентьев предложил использовать атомную бомбу для воспламенения термоядерного топлива.  
    • Сахаров и Тамм предложили использовать магнитное удержание вместо электростатического.  

  • Развитие магнитного удержания

    • При нагревании до температуры термоядерного синтеза плазма становится электропроводной.  
    • Магнитное поле может удерживать частицы в форме тора, предотвращая их боковое перемещение.  

  • Концепция Сахарова и Тамма

    • Сахаров и Тамм предложили концепцию термоядерного синтеза в 1950 году.  
    • Они направили предложение Курчатову и Головину, но столкнулись с проблемой неравномерных магнитных полей.  

  • Решения проблемы

    • Сахаров предложил подвесить токоподводящее кольцо в центре тора для создания спирального магнитного поля.  
    • Альтернативное решение — использовать внешний магнит для индуцирования тока в плазме.  

  • Реакция на заявление Рихтера

    • В 1951 году Рихтер объявил о термоядерном синтезе, что вызвало интерес к исследованиям.  
    • В Великобритании и США начались проекты по термоядерным исследованиям.  

  • Развитие идей в СССР

    • В СССР создали лабораторию термоядерных исследований под руководством Арцимовича.  
    • Сахаров и Тамм разработали более детальное предложение с большим радиусом тора.  

  • Нестабильность плазмы

    • В 1952 году группа Филиппова измерила выброс нейтронов, но это не было термоядерным синтезом.  
    • Обнаружены два типа нестабильности: “колбасная” и “излом”.  

  • Стабилизация плазмы

    • Сахаров предложил концепцию “стабилизированного зажима” с сильным внешним полем и слабым током.  
    • В США это называлось “придание плазме основы”.  

  • Первые успехи и рассекречивание

    • В 1955 году в СССР построили первое тороидальное устройство, но оно не было полностью успешным.  
    • В 1956 году Курчатов выступил в Великобритании, раскрыв советские разработки.  

  • Британские успехи

    • В 1958 году в Великобритании объявили о термоядерном синтезе в ZETA.  
    • Советские исследователи изучили ZETA и пришли к выводу, что она идентична их устройствам.  

  • Первые токамаки

    • Советские исследователи решили построить более крупную тороидальную машину по образцу Сахарова.  
    • Учитывался эффект спиральной траектории частиц для подавления неустойчивости.  

  • История токамаков

    • Электрический ток в катушках создает тороидальное магнитное поле.  
    • Импульсное магнитное поле индуцирует осевой ток, окруженный полоидальным магнитным полем.  
    • Объединенные магнитные поля образуют спиральную структуру.  

  • Фактор безопасности и предел Крускала-Шафранова

    • Отношение числа оборотов частицы вокруг большой оси к числу оборотов вокруг малой оси обозначается q.  
    • Предел Крускала-Шафранова: излом подавляется при q > 1.  
    • Внешние магниты должны быть мощнее или внутренний ток уменьшен для достижения q > 1.  

  • Проектирование и эксплуатация Т-1

    • Т-1 использовал более сильные внешние магнитные поля и меньший ток.  
    • Успех Т-1 привел к его признанию первым работающим токамаком.  
    • Явлинский получил Ленинскую и Сталинскую премии за работу над Т-1.  

  • Проблемы и решения

    • Т-1 демонстрировал высокие потери энергии из-за примесей в плазме.  
    • Т-2 использовал внутреннюю облицовку для удаления газов.  

  • Атом во имя мира и упадок сил

    • В Женеве в 1958 году советская делегация представила результаты по тороидальным машинам.  
    • Стелларатор “Спитцер” привлек внимание, но столкнулся с проблемами.  
    • Бом вывел формулу диффузии Бома, что ограничивало магнитное удержание.  

  • Прогресс в 1960-е годы

    • Экспериментальные токамаки продвигались хорошо, несмотря на проблемы.  
    • Добавление вертикальных магнитных полей компенсировало гравитационные эффекты.  
    • В 1965 году Арцимович сообщил о превышении предела Бома в 10 раз.  

  • Международная встреча в Новосибирске

    • В 1968 году завершены работы по ТМ-2 и Т-4.  
    • Т-3 обеспечивал температуру электронов в 1000 эВ и время удержания в 50 раз выше бомовского предела.  
    • Спитцер скептически отнесся к результатам, но британская команда подтвердила их.  

  • Калхэм-Пять и новые методы

    • Британская команда использовала лазер для измерения температуры плазмы.  
    • Результаты подтвердили точность измерений Т-3.  
    • Арцимович указал на необходимость новых методов обогрева для дальнейшего прогресса.  

  • Встреча в Новосибирске и начало гонки токамаков

    • Амаса Стоун Бишоп предложил создать собственный токамак в США.  
    • Лоуренс Ливермор и Принстонская лаборатория разрабатывали многополюсные конструкции.  
    • Т-3 превосходил другие машины, но США не рассматривали его как основной проект.  

  • Разработка новых концепций

    • Герман Постма предложил Ormak с единым медным блоком для создания внешнего поля.  
    • Массачусетский технологический институт разработал Alcator с низким соотношением сторон.  
    • General Atomics представила концепцию “Дублет” с некруглой плазмой.  
    • Техасский университет предложил Техасский турбулентный токамак.  

  • Дебаты и принятие решений

    • Принстон отказался рассматривать токамак, несмотря на потенциал Model C.  
    • Готлиб предложил стелларатор-токамак для проверки советских результатов.  
    • Постоянный комитет выделил средства на все предложения.  

  • Эксперименты и успехи

    • Эксперименты на симметричном токамаке подтвердили советские результаты.  
    • PPPL использовала магнитное сжатие для нагрева плазмы.  
    • Ок-Ридж предложил инжекцию нейтрального пучка.  
    • PPPL установила лучевые инжекторы и достигла успеха в 1973 году.  

  • Развитие и финансирование

    • PLT достиг 60 миллионов градусов Цельсия в 1978 году.  
    • Роберт Хирш переформулировал программу, сделав упор на энергетический реактор.  
    • Нефтяной кризис 1973 года усилил интерес к альтернативным энергетическим системам.  

  • 1980-е: надежда и разочарование

    • Токамаки достигли условий для практического термоядерного реактора.  
    • В 1978 году PLT продемонстрировал температуру воспламенения.  
    • В 1982 году начал эксплуатироваться TFTR, за ним последовали JET и JT-60.  
    • Ни одна из новых систем не работала должным образом.  

  • Проблемы и решения в термоядерном синтезе

    • Появление новых факторов нестабильности и практических проблем.  
    • Опасные “отклонения” плазмы в TFTR и JET.  
    • Удержание плазмы при температурах термоядерного синтеза оставалось низким.  

  • ИТЭР и международное сотрудничество

    • В 1986 году Рональд Рейган объявил о завершении энергетического кризиса.  
    • В 1985 году Рейган предложил реформировать организацию INTOR.  
    • В 1988 году началось проектирование ИТЭР.  

  • Токамаки с высоким полем

    • Появление высокотемпературных сверхпроводников открыло путь к созданию магнитов с высоким полем.  
    • В 2021 году PSFC и CFS создали модельную катушку тороидального поля для демонстрации магнитного поля в 20 Тесла.  
    • Британский стартап Tokamak Energy планирует построить токамак с ВТСП-магнитами.  

  • Дизайн и стабильность плазмы

    • Основная проблема: поддержание плазмы в центральной области.  
    • Решение: создание изогнутых магнитных полей для удержания плазмы.  
    • Токамак: ключевое нововведение в контроле нестабильностей.  

  • Другие вопросы и нестабильности

    • “Банановые орбиты” и “разрывающая нестабильность” как новые явления.  
    • Обучение с подкреплением для прогнозирования и снижения нестабильностей.  

  • Безубыточность, Q и зажигание

    • Достижение безубыточности и увеличение Q.  
    • Самонагрев плазмы и максимизация времени пребывания альфа-частиц в топливе.  

  • Усовершенствованные токамаки

    • В начале 1970-х годов в Принстоне исследовали расположение магнитов в токамаках.  
    • Было предложено использовать D-катушки для уравновешивания сил натяжения.  
    • JET и другие машины перешли на D-образную форму плазмы.  

  • Проблемы и решения

    • Присутствие тяжелых элементов охлаждает плазму, что требует дивертора.  
    • Ограничитель из легкого металла предотвращает разрушение стенок.  
    • Использование полей для создания внутреннего отводящего устройства.  

  • H-режим и начальная загрузка

    • H-режим позволяет работать при высоких температурах и давлениях.  
    • Начальная загрузка генерирует часть тока для скручивания силовых линий.  

  • Нарушения в работе плазмы

    • Токамаки подвержены сбоям, приводящим к потере удержания плазмы.  
    • VDE и основное нарушение приводят к термической закалке и гашению тока.  
    • Убегающие электроны могут повредить стенки реактора.  

  • Плазменный нагрев

    • В современных экспериментах требуется внешний нагрев для поддержания температуры плазмы.  
    • EAST может поддерживать температуру плазмы в 100 миллионов градусов Цельсия.  
    • Омический нагрев происходит за счет индуцированного тока.  

  • Омический нагрев и его ограничения

    • Омический нагрев эффективен до 20-30 миллионов градусов Цельсия  
    • Для более высоких температур необходимы дополнительные методы нагрева  

  • Магнитное сжатие

    • Сжатие плазмы увеличивает температуру и плотность  
    • Используется в токамаках для достижения термоядерного синтеза  

  • Инжекция нейтрального пучка

    • Вводятся высокоэнергетические атомы в плазму  
    • Атомы повторно ионизируются и нагревают плазму  
    • Используется для нагрева и диагностики  

  • Радиочастотный нагрев

    • Высокочастотные электромагнитные волны нагревают плазму  
    • Методы включают ECRH и ионный циклотронный резонанс  

  • Инвентаризация частиц и защита от нейтронов

    • Плазменные разряды выделяют тепло, которое отводится через стенки камеры  
    • Нейтроны поглощаются нейтронным экраном  

  • Экспериментальные токамаки

    • В эксплуатации находятся десятки токамаков по всему миру  
    • Примеры: Golem, DIII-D, STOR-M, Tore, Адитья, COMPASS, FTU, ISTTOK, H-1NF, TCV, HBT-EP, TCABR, Pegasus, NSTX, Глобус-М, ETE, HL-2A, EAST, КВЕСТ, KSTAR, JT-60SA, Medusa CR, SST-1, IR-T1, ST25-HTS, КТМ, ST40, HL-2M, МАЧТА  

  • Ранее эксплуатировавшиеся токамаки

    • Т-3 и Т-4, LT-1, Стелларатор C, Техасский турбулентный токамак, адиабатический тороидальный компрессор, TFR, Алкатор А, Принстонский большой Тор, Алкатор Си, ТЕКСТУРЩИК, МТ-1, Токолоше Токамак, ТЕКСТ/TEXT-U, TFTR  

  • История и развитие токамаков

    • Объединенный европейский тор (JET) в Калеме, Великобритания (1983-2023)  
    • Токамак Novillo в Национальном институте ядерных исследований, Мехико, Мексика (1983-2000)  
    • Токамак HL-1 в Чэнду, Китай (1984-1992)  
    • JT-60 в Наке, Япония (1985-2010, модернизирован до Super в 2015-2018)  
    • Токамак в Варенне, Канада (1987-1999)  
    • Т-15 в Курчатовском институте, Москва, Россия (1988-2005)  
    • НАЧАЛО в Калеме, Великобритания (1991-1998)  
    • COMPASS, Калхэм, Великобритания (1990-е-2001)  
    • Токамак HL-1M в Чэнду, Китай (1994-2001)  
    • Электрический токамак Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, США (1999-2006)  
    • МАСТЕР-класс в Калхэме, Великобритания (1999-2014)  
    • Alcator C-Mod, Массачусетский технологический институт, Кембридж, США (1992-2016)  
    • HT-7, Институт физики плазмы, Хэфэй, Китай (1995-2013)  

  • Современные и планируемые проекты

    • ITER, международный проект в Кадараше, Франция (500 МВт, строительство началось в 2010 году, первая плазма ожидается в 2025 году)  
    • ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ВАРИАНТ, 2000 МВт, непрерывный режим работы, строительство начнется в 2040 году  
    • CFETR, Китайский термоядерный инженерный испытательный реактор, 200 МВт  
    • K-DEMO в Южной Корее, планируется 2200-3000 МВт, строительство намечено на 2037 год  
    • SPARC, разработка Commonwealth Fusion Systems, ожидается прирост энергии при меньших размерах к 2026 году  

  • Дополнительные ресурсы

    • Портал ядерных технологий  
    • Энергетический портал  
    • Локализованный по краям режим, нестабильность плазмы токамака  
    • Зажим с обратным полем, альтернативная конструкция  
    • Зонд для шариковой ручки  
    • Безразмерные параметры в токамаках  
    • Критерий Лоусона и тройной продукт  
    • Fusion power § Records  
    • ДУГОВОЙ термоядерный реактор, разработанный Массачусетским технологическим институтом токамака  
    • Записи  
    • Рекомендации  
    • Цитаты  
    • Библиография  
    • Внешние ссылки  
    • CCFE заархивирован 28 октября 2020 года  
    • Международные исследования в области токамака  
    • Plasma Science  
    • Программы термоядерного синтеза General Atomics  
    • Семинар по физике термоядерного синтеза и плазмы в Массачусетском технологическом институте OCW  
    • Неофициальный фан-клуб ITER  
    • Все токамаки мира  
    • Обзорное видео SSTC-1  
    • Видео о концепции маломасштабного токамака  
    • Видео о концепции малогабаритного токамака  
    • Разработка токамака LAP  
    • Статья в газете Observer о термоядерном синтезе Токомака  

Полный текст статьи:

Токамак

Нет связанных сообщений

Оставьте комментарий

Прокрутить вверх