Дивертор является ключевым элементом магнитной конфигурации токамака, предназначенным для контроля взаимодействия высокотемпературной плазмы с материалами стенки реактора и эффективного удаления примесей. Его основная функция — локализация границы плазмы и создание направленного потока частиц и тепла к специально подготовленной поверхности, называемой пластиной дивертора.
Магнитная конфигурация: дивертор формирует магнитную «ловушку» для частиц плазмы на периферии, направляя их в узкую область контакта с твердым телом. При этом образуется зона с повышенной плотностью частиц и интенсивным тепловым потоком, позволяющая контролировать эвакуацию продуктов реакции и посторонних атомов.
Физические процессы: в диверторе происходят процессы диффузии, конвекции и переноса энергии, определяющие распределение температуры, плотности и состава плазмы на границе с твердым телом. Ускорение ионов и электро́нов в магнитном поле приводит к избирательному удалению легких и тяжелых примесей, минимизируя их влияние на основное ядро плазмы.
Удаление примесей через дивертор включает несколько взаимосвязанных процессов:
Адсорбция и десорбция Частицы примесей, сталкиваясь с поверхностью дивертора, адсорбируются на материале пластины. Под действием высокой температуры и ударного потока часть этих атомов десорбируется обратно в плазму, где они могут быть повторно захвачены магнитным полем и перенаправлены к пластине.
Эрозия и испарение материала Активные частицы плазмы вызывают спекание, распыление или испарение материала дивертора, создавая дополнительное удаление тяжелых примесей. Этот процесс необходимо строго контролировать, чтобы не допустить загрязнения ядра плазмы собственным материалом стенок.
Транспорт в плазме Примеси перемещаются по градиентам температуры и плотности, а также под воздействием электромагнитных сил. В диверторной зоне транспорт осуществляется преимущественно вдоль магнитных линий, что позволяет сосредоточить удаление частиц в узкой, контролируемой области.
Рекомбинация и нейтрализация Ионы примесей могут рекомбинировать с электронами, образуя нейтральные атомы, которые легче покидают плазму без существенного влияния на ее термодинамику. Этот процесс особенно важен для удаления гелия и тяжелых элементов, образующихся в реакции термоядерного синтеза.
Дивертор играет критическую роль в поддержании стабильности высокотемпературной плазмы:
Выбор материала дивертора критически важен для его эффективности и долговечности:
Конструктивно дивертор может иметь моноблочные или модульные пластины, систему активного охлаждения и возможность замены частей без остановки работы реактора. Особое внимание уделяется геометрии: пластины располагаются под оптимальным углом к потоку плазмы, обеспечивая максимальное удаление частиц и минимизацию трения о стенки.
Примеси тяжелых элементов (например, железо, молибден) значительно снижают эффективность термоядерного синтеза, вызывая радиационные потери энергии. Дивертор обеспечивает их удаление за счет:
Эффективная работа дивертора позволяет поддерживать низкий уровень примесей в ядре плазмы, повышая стабильность термоядерной реакции и увеличивая коэффициент усиления энергии.
Дивертор тесно интегрирован с другими системами реактора:
Комплексная координация этих систем позволяет управлять химическим составом плазмы, тепловыми потоками и минимизировать деградацию материалов, что критически для длительной и стабильной работы термоядерного реактора.