В термоядерных установках, таких как токамаки и стеллараторы, поддержание высокого вакуума в камере реактора является критически важным условием для стабильного удержания плазмы и предотвращения загрязнения плазмы примесями. Давление внутри камеры должно находиться на уровне 10⁻⁶–10⁻⁷ Па, что обеспечивает минимальные потери энергии на столкновения с нейтральными атомами и молекулами.
Основные требования к вакуумным системам включают:
Для создания требуемого давления используются несколько типов насосов:
Механические насосы грубой откачки – предназначены для предварительного снижения давления от атмосферного уровня до 10⁻¹–10⁻² Па. Используются масляные ротационные насосы, поршневые насосы или турбомолекулярные насосы с механической предвакуумной ступенью.
Турбомолекулярные насосы (ТМН) – обеспечивают достижение высокого и сверхвысокого вакуума за счёт кинетического взаимодействия молекул газа с вращающимися лопатками. ТМН способны поддерживать давление до 10⁻⁸ Па при откачке легких и тяжелых газов.
Криогенные насосы – используют принцип конденсации и адсорбции газов на охлаждённых поверхностях (обычно жидким гелием). Эти насосы особенно эффективны для удаления водорода и гелия, которые являются продуктами термоядерной реакции.
Ионные и плазменные насосы – создают вакуум посредством ионизации нейтральных атомов и их захвата на катоде. Применяются для поддержания стабильного сверхвысокого вакуума в условиях длительных экспериментов.
Очистка плазмы от примесей является ключевым элементом стабильной работы термоядерной установки. Основные источники загрязнения включают:
Для контроля и удаления этих примесей используются следующие методы:
Геттерные системы – основаны на поглощении активных газов (водорода, кислорода, углерода) с помощью материалов-абсорбентов, таких как титан или цирконий. Геттеры позволяют быстро снижать концентрацию примесей без влияния на плазму.
Криоочистка и криооткачка – охлаждённые поверхности конденсируют тяжелые примеси, включая воду и углеродные соединения. Криоочистка эффективна при высоких потоках газа и минимальном риске загрязнения плазмы.
Плазменная очистка (Glow Discharge Cleaning) – метод, при котором разряды в низкотемпературной плазме взаимодействуют с поверхностями камеры, удаляя адсорбированные атомы водорода, кислорода и углерода. Этот метод особенно эффективен перед запуском основной плазмы для снижения начальных концентраций примесей.
Для предотвращения вторичного загрязнения и обеспечения стабильной работы вакуумных систем используются замкнутые контуры циркуляции, включающие:
В термоядерных реакторах, работающих на дейтерий-тритиевом топливе, вакуумные системы и очистка должны учитывать:
Для этого применяются специальные барьерные покрытия и мембранные технологии, обеспечивающие селективное удаление водородных изотопов.
Современные вакуумные и очистные системы тесно интегрированы с:
Эта интеграция позволяет поддерживать оптимальные условия для термоядерного синтеза, минимизировать эрозию материалов и обеспечить безопасность работы установки.