TFTR и другие крупные токамаки

Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) — одна из ключевых экспериментальных установок США, созданная для исследования термоядерного синтеза на основе дейтерий-тритиевого (D-T) топлива. TFTR начал функционировать в 1982 году в Принстонской плазменной физической лаборатории и стал важной вехой в развитии магнитного удержания плазмы. Его основной задачей было исследование условий, необходимых для устойчивого термоядерного горения, включая достижение высоких температур, плотности плазмы и длительности удержания.

Конструкция TFTR

Вакуумная камера TFTR имел тороидальную вакуумную камеру из нержавеющей стали, покрытую слоем бериллия для уменьшения взаимодействия нейтронов с конструкцией и снижения загрязнения плазмы. Камера обеспечивала высокую степень вакуума (порядка 10⁻⁶–10⁻⁷ торр), необходимую для предотвращения потерь энергии из-за взаимодействия с остаточным газом.

Магнитные катушки Магнитная конфигурация TFTR включала:

  • Тороидальные катушки, создающие основной тороидальный магнитный поток, удерживающий плазму в замкнутой траектории.
  • Полоидальные катушки, обеспечивающие дополнительное формирование и стабилизацию плазмы.
  • Катушки для корректировки, предназначенные для компенсации несимметричных искажений магнитного поля.

Система подогрева плазмы TFTR использовал комплексные методы подогрева:

  • Оммический нагрев — ток в плазме создавал сопротивление, которое повышало её температуру.
  • Ионно-циклотроный резонансный нагрев (ICRH) — направленный подогрев ионов плазмы электромагнитным излучением в диапазоне радиочастот.
  • Нейтронно-лучевое нагревание (NBI, Neutral Beam Injection) — ввод высокоэнергетических нейтральных атомов для передачи энергии плазме.

Достижения TFTR

  1. Достижение термоядерных условий TFTR стал первой установкой, на которой удалось стабильно создать плазму D-T с температурами более 50 миллионов Кельвинов, плотностью порядка 10²⁰ м⁻³ и временем удержания плазмы порядка 0,5 секунды.

  2. Выработка термоядерной энергии В ходе экспериментов TFTR удалось достичь значительного числа термоядерных реакций D-T, что позволило измерить продукцию энергии в виде нейтронов с энергией 14 МэВ. Это стало важной проверкой моделей термоядерного синтеза в условиях плотной плазмы.

  3. Изучение плазменной стабильности Эксперименты TFTR предоставили уникальные данные о макро- и микронестабильностях плазмы, таких как:

  • Эддингтоны и токамаковые вихри
  • Аномальные потери энергии
  • Турбулентные процессы

Эти исследования стали фундаментом для разработки методов активного управления плазмой, включая контроль давления и магнитной конфигурации.

Другие крупные токамаки

JET (Joint European Torus)

  • Расположен в Великобритании, начал работу в 1983 году.
  • Является крупнейшим действующим токамаком на сегодняшний день.
  • Особенности: использование D-T топлива, магнитные поля до 4 Тл, подогрев плазмы NBI и ICRH.
  • Достижения: рекордная выработка термоядерной энергии (16 МВт) при Q ≈ 0,67 (отношение выработанной термоядерной энергии к подведенной энергии).

JT-60 (Japan Torus-60)

  • Разработан в Японии, начал эксплуатацию в 1985 году.
  • Концепция: исследование высокоплотной плазмы и длительных импульсов.
  • Важные достижения: стабилизация плазмы в высоком β-режиме (отношение давления плазмы к магнитному давлению), тестирование технологий для ITER.

DIII-D

  • Расположен в США, начал работу в конце 1970-х.
  • Особенность: гибкая система магнитных катушек, позволяющая моделировать различные конфигурации будущих реакторов.
  • Результаты: изучение режимов высокоэффективного удержания плазмы, разработка методов подавления магнитных возмущений.

Ключевые моменты и уроки

  • Высокая температура и плотность плазмы являются критическими для реализации термоядерного синтеза. TFTR и JET продемонстрировали возможность достижения этих параметров в крупных токамаках.
  • Управление нестабильностями — главный фактор, ограничивающий эффективность термоядерного горения. Применение корректирующих магнитных полей и активных методов подогрева позволило существенно увеличить время удержания плазмы.
  • Технологии подогрева плазмы и диагностики стали основой для всех последующих установок, включая ITER и SPARC.
  • Материалы и конструкционные решения (например, использование бериллиевых облицовок) показали необходимость устойчивости к нейтронному облучению и высокотемпературной эрозии.

TFTR и другие крупные токамаки стали краеугольным камнем в переходе от лабораторных экспериментов с плазмой к практическим проектам термоядерных реакторов, предоставив ценные данные о магнитном удержании, подогреве и управлении стабильностью плазмы в условиях высоких энергий.

Оглавление