Токамак

Токамак
Асыусы йәки уйлап табыусы	Тамм Игорь Евгеньевич, Сахаров Андрей Дмитриевич һәм Олег Александрович Лаврентьев[d]
Токамак Викимилектә

Токамак (магнит кәтүкле тороидаль камера) — идара ителеүсе термоядро синтезы өсөн кәрәкле шарттарҙы тыуҙырыу маҡсатында плазманы магнит менән тотҡарлау тороидаль ҡоролмаһы. Токамакта плазма камераның стеналары ярҙамында тотҡарлана алмай, сөнки был стеналар термоядро реакциялары өсөн кәрәкле температураға сыҙамай, уның урынына ҡатнаш магнит ҡыры — плазма шнур буйлап аҡҡан токтың тышҡы тороидаль һәм полоидаль ҡыры — ҡулланыла. Плазманы тотҡарлау өсөн магнит ҡырын ҡулланған башҡа ҡоролмаларҙан айырмалы электр тогын файҙаланыу токамактың төп үҙенсәлеге булып тора. Плазмалағы ток плазманың йылыныуын һәм вакуумлы камерала плазма шнурының тигеҙлеген тәьмин итә. Токамак, атап әйткәндә, тотҡарлау өсөн альтернатив схема булып торған стеллараторҙан айырыла.

Токамак-реактор әлеге ваҡытта ITER (Халыҡ-ара эксперименталь термоядро реакторы) халыҡ-ара фәнни проекты сиктәрендә эшләнә.

Сәнәғәт маҡсаттарында идара ителеүсе термоядро синтезын ҡулланыу тәҡдиме һәм юғары температуралы плазманы электр ҡыры менән термоизолятлау һыҙмаһы тәү башлап совет физигы О. А. Лаврентьев тарафынан 1950-се йылдар уртаһында тәҡдим ителә. Уның был хеҙмәте совет тикшеренеүселәренең идара ителеүсе термоядро синтезы менән ныҡлап шөғөлләнеүенә этәргес бирә.^[1] А. Д. Сахаров һәм И. Е. Тамм 1951 йылда плазманы магнит ҡыры менән тотҡарланған торға әйләндереү аша термоядро реакторының теоретик нигеҙен үҙгәртергә тәҡдим итә. Шул уҡ ваҡытта был идея Америка ғалимдары тарафынан да әйтелә, әммә 1970-се йылдарға тиклем «онотола»^[2]. «Токамак» термины һуңыраҡ академик Курчатовтың уҡыусыһы Игорь Николаевич Головин тарафынан тәҡдим ителә. Тәүҙә ул «токамаг» — «тороидальная камера магнитная» һүҙҙәренең ҡыҫҡартмаһы — рәүешендә яңғырай. Беренсе тороидаль системаның авторы Н. А. Явлинский күркәмерәк яңғыраһын өсөн «-маг»ты «-мак»ҡа алмаштырырға тәҡдим итә^{[сығанаҡ 2571  көн күрһәтелмәгән]}. Аҙаҡ был атама күп телдәргә инеп китә.

Беренсе токамак 1954 йылда төҙөлә^[3], оҙаҡ ваҡыттар буйы токамактар СССР-ҙа ғына була. 1968 йылдан һуң, И. В. Курчатов исемендәге Атом энергияһы институтында төҙөлгән Т-3 токамагында академик Л. А. Арцимович етәкселеге аҫтында плазманың 10 миллион кельвинлы температураһына өлгәшкәс һәм быға тиклем ышанмаған инглиз ғалимдары үҙҙәренең аппаратураһы менән был фактты раҫлағас^{[сығанаҡ 2571  көн күрһәтелмәгән]}, донъяла токамактар төҙөү йәйелеп китә. 1973 йылдан токамактарҙа плазма физикаһын тикшереү программаһына Борис Борисович Кадомцев етәкселек итә.

Әлеге ваҡытта токамак идара ителеүсе термоядро синтезы өсөн иң ҡулай ҡоролма һанала^[4].

Токамак тороидаль магнит ҡырын булдырыу өсөн кәтүктәр уратылған вакуумлы тороидаль камеранан ғибәрәт. Вакуумлы камеранан тәүҙә һауаны һурҙырып алалар, шунан уға дейтерий менән тритий ҡатнашмаһын тултыралар. Артабан индуктор ярҙамында камерала өйөрмәле электр ҡыры хасил итәләр. Индуктор беренсел ҙур трансформатор урамаһын яһай, уның эсендәге токамак камераһы икенсел урама булып тора. Электр ҡыры токтың ағыуына һәм камерала плазманың яныуына килтерә.

Плазма аша үткән ток ике бурысты үтәй:

• плазманы башҡа теләһә ҡайһы үткәргес кеүек үк йылыта (омлы йылытыу);
• әйләнәһендә магнит ҡыры хасил итә. Был магнит ҡыры полоидаль (йәғни координаталарҙың сфералы системаһы полюстары аша үткән һыҙыҡтар буйлап йүнәлтелгән) тип атала.

Магнит ҡыры плазма аша үткән токты ҡыҫа. Һөҙөмтәлә винтлы магнит көс һыҙыҡтары плазма шнурын уратып ала. Шуның менән бергә тороидаль йүнәлештә әйләнгәндәге аҙым полоидаль йүнәлештәге аҙымға тап килмәй. Магнит һыҙыҡтары йомолмаған булып сыға һәм улар тор тирәләй ҡат-ҡат әйләнә лә әйләнә һәм тороидаль формалағы «магнит өҫлөктәр» хасил итә.

Полоидаль ҡыр был системала плазманың тотороҡлолоғон тәьмин итә. Ул индукторҙа токты арттырыу иҫәбенә хасил ителгәнлектән һәм сикһеҙ була алмағанлыҡтан, классик токамакта ул ҡыр ҙа сикһеҙ булмай һәм секундтар менән үлсәнә. Был сикләүҙән ҡотолоу маҡсатында токты арттырыуҙың өҫтәмә ысулдары табыла. Әйтәйек, плазмаға тиҙләнешле дейтерийҙың йә тритийҙың нейтраль атомдарын инжекциялау йәки микротулҡынлы нурланыш ҡулланыла.

Плазма шнурына идара итеү өсөн, тороидаль кәтүктәрҙән башҡа, өҫтәмә полоидаль ҡыр кәтүктәре кәрәк. Улар токамак камераһының вертикаль күсәре тирәләй әйләнгән ҡулсаларҙан ғибәрәт.

Плазманы термоядро реакцияһына кәрәк булған температураға тиклем йылытыу өсөн ток ағымының йылытыуы ғына етмәй. Өҫтәмә йылылыҡ алыу өсөн резонанслы йышлыҡтарҙа микротулҡынлы йылытыу (мәҫәлән, электрондарҙың йә иондарҙың циклотронлы йышлығына тап килгән) йәки етеҙ нейтраль атомдарҙың инжекцияһы зарур.

Донъяла бөтәһе 300-ләп токамак төҙөлгән. Түбәндә уларҙың иң эреләре һанала:

• Т-3 — беренсе функциональ аппарат.
• Т-4 — Т-3-төң ҙурайтылған варианты.
• Т-7 — уникаль ҡоролма, унда донъяла беренсе тапҡыр 1979 йылда үтә юғары үткәреүсәнле соленоид менән шыйыҡ гелий тарафынан һыуытылған ниобий-ҡурғаш иретмәһе (интерметаллид) үткәргестәре булған сағыштырмаса ҙур магнитлы система тормошҡа ашырыла. Т-7-нең төп бурысы үтәлә: термоядро энергетикаһының үтә юғары үткәреүсәнле соленоидтарының киләһе быуыны өсөн яңы мөмкинлектәр асыла.
• Т-10 һәм PLT — донъяла термоядро тикшеренеүҙәре өсөн яңы аҙым, улар күләме, ҡеүәте, тотҡарлау факторы буйынса бер төрлө тиерлек. Алынған һөҙөмтәләр ҙә оҡшаш: ике реакторҙа ла термоядро синтезы температураһына өлгәшелә, ә Лоусон критерийы буйынса ҡалышыу — 200 тапҡыр.
• Т-15 — 3,6 Тл индукциялы ҡыр биреүсе үтә юғары үткәреүсәнле соленоидлы реактор. 1988 йылда эшләтеп ебәрелә, 1995 йылда эксперименттар туҡтатып торола, 2012 йылдан модернизациялана, уны 2019 йылда тамамлау планлаштырылған.
• Глобус-М^[5] — сферик токамак, Рәсәйҙә 1999 йылда төҙөлгән иң яңы токамак.
• Т-11М — ТРИНИТИ-ҙа (Троицк, Мәскәү өлкәһе) урынлашҡан; ҡоролма параметрҙары: плазмала ток 0,1 МА, плазма температураһы 400,,600 эВ.

• Ҡаҙағстан материалдарҙы өйрәнеү токамагы  — ITER-ҙағыға һәм киләсәк термоядро реакторҙарындағыға яҡын энергетик йөкләнештәр режимында материалдарҙы тикшереү һәм һынау өсөн эксперименталь термоядро ҡоролмаһы. Курчатов ҡалаһында урынлашҡан.

• EAST — Аньхой провинцияһы Хэфэй ҡалаһында урынлашҡан. Был токамакта тоҡандырыу кимәле буйынса Лоусон критерийы арттырылған, рентабеллелек коэффициенты — 1,25^[6].

• TM1-MH (1977 йылдан — Castor, 2007 йылдан — Golem). 1960-сы йылдар башынан 1976 йылға тиклем Курчатов институтында эшләй, артабан Чехословакия Фәндәр академияһы плазма физикаһы институтына тапшырыла.
• JET (Joint European Torus) — Евратом ойошмаһы тарафынан Бөйөк Британияла төҙөлгән. Унда ҡатнаш йылытыу ҡулланылған: 20 МВт — нейтраль инжекция, 32 МВт — ионлы циклотронлы резонанс. Лоусон критерийы тоҡандырыу кимәленән 4—5 тапҡырға түбән.
• Tore Supra — кәтүктәре үтә юғары үткәреүсәнле булған токамак. Кадараш (Франция) тикшеренеү үҙәгендә тора.
• FTU (Frascati Tokamak Upgrade) — уртаса ҙурлыҡтағы, көслө магнит ҡырлы металл токамак. Италияла Фрасскати тикшеренеү үҙәгендә урынлашҡан. Европа Ядро Энергетикаһы Агентлығыныҡы (ENEA). Ҡоролманың параметрҙары: BT<8T, R = 0,935 м, a = 0,3 м, Ip < 1,5 MA.

• TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — АҠШ-та (Принстон университеты) иң ҙур токамак, етеҙ нейтраль киҫәксәләр менән өҫтәмә йылытыу ҡулланыла. Лоусон критерийы тоҡандырыу нөктәһенән 5,5 тапҡырға кәм. 1997 йылда ябыла.
• NSTX (National Spherical Torus Experiment) — сферомак (сферик токамак), әле Принстон университетында эшләтелә. Реакторҙағы беренсе плазма 1999 йылда алына.
  NSTX-U NSTX нигеҙендә төҙөлә, модернизацияһы 94 млн долларға төшә. Әлеге ваҡытта иң ҡеүәтле сферик токамак, магнит индукцияһы — 1 тесла, йылылыҡ ҡеүәте — 10-12 мегаватт^[7].
• Alcator C-Mod — донъяла иң юғары магнит ҡыры һәм плазма баҫымы хас. 1993 йылдан бирле эшләй.
• DIII-D — Сан-Диегола General Atomic компанияһында төҙөлгән һәм эшләтелә.

• JT-60 — Ядро тикшеренеүҙәре институтында 1985 йылдан алып эшләтелә.

• Халыҡ-ара эксперименталь термоядро реакторы ( ITER)
• Стелларатор

• Статья про токамаки в журнале «Вокруг света»
• Тор, который принесет энергию
• Новый рекорд удержания плазмы — 28,6 секунды 2006 йыл 16 июнь архивланған.
• Физики из Поднебесной заявляют, что они первыми воплотят термоядерную мечту в реальность
• Сферический токамак Глобус-М
• Видеозапись разряда токамака Глобус-M
• Токамак в СССР