Токамаки — это тороидальные устройства для магнитного удержания плазмы, разработанные с целью реализации управляемого термоядерного синтеза. Слово «токамак» происходит от аббревиатуры: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками.
В основе конструкции токамака лежит тор, внутри которого находится вакуумная камера. Внутри этой камеры создается и удерживается высокотемпературная плазма с помощью сочетания тороидального и полоидального магнитных полей. Торидальное поле создается системой внешних магнитных катушек, равномерно расположенных по окружности. Полоидальное поле формируется за счёт пропускания сильного тока через саму плазму, индуцированного с помощью центрального соленоида, действующего как первичная обмотка трансформатора.
Основные элементы токамака:
Магнитная конфигурация в токамаке представляет собой винтовую структуру силовых линий, благодаря которой плазма стабилизируется и удерживается в центре тора. Комбинация полоидального и тороидального полей образует замкнутые магнитные поверхности, на которых плазменные частицы движутся по спирали, оставаясь вблизи оси системы.
Одной из ключевых задач в работе токамаков является устойчивость плазмы. Она подвержена различным видам магнитных и гидродинамических неустойчивостей, таким как:
Для подавления этих неустойчивостей применяются сложные схемы управления магнитным полем, активные системы стабилизации и контроль профиля тока в плазме.
Время удержания энергии — критический параметр, определяющий эффективность токамака. Оно должно быть достаточно большим, чтобы условия для термоядерной реакции (заданной критерием Лоусона) были выполнены. Увеличение времени удержания достигается оптимизацией магнитной конфигурации, формой плазмы (например, вытянутой или треугольной), и снижением турбулентности.
Стелларатор — альтернативный тип тороидальной установки для удержания плазмы, в которой магнитное поле полностью формируется внешними катушками, без необходимости протекания тока через плазму. Это принципиальное отличие от токамаков.
Конфигурация магнитного поля в стеллараторах достигается за счёт сложной геометрии обмоток, которые создают винтообразное магнитное поле, аналогичное результирующему полю в токамаке, но без индукционного тока в плазме. Такой подход решает проблему индуцированного тока, связанного с неустойчивостями и ограниченным временем удержания.
Преимущества стеллараторов:
Недостатки:
| Параметр | Токамак | Стелларатор |
|---|---|---|
| Источник полоидального поля | Индуцированный ток в плазме | Внешние катушки |
| Режим работы | Импульсный (ограниченный) | Непрерывный |
| Сложность конструкции | Относительно проще | Сложные неосимметричные катушки |
| Стабильность | Чувствителен к токовым режимам | Устойчив к токовым неустойчивостям |
| Стадия развития | Более развит, множество экспериментов | Новые модели только приближаются по параметрам |
| Проблемы | Индуцированный ток, неустойчивости | Геометрическая сложность, большие размеры |
Удержание плазмы в токамаках и стеллараторах подчиняется законам магнитной гидродинамики (МГД). Потери энергии происходят через:
Для эффективной работы термоядерного реактора необходимо обеспечить тепловой баланс: мощность, вносимая в плазму (внешний нагрев + энергия альфа-частиц), должна компенсировать все потери.
Особое внимание уделяется турбулентным переносам, которые могут многократно превышать классическую диффузию. Современные исследования направлены на подавление турбулентности с помощью магнитного сдвига, магнитных островков, радиочастотных волн и неравномерности профиля тока.
Токамаки в настоящее время рассматриваются как основа для первого поколения коммерческих термоядерных реакторов (например, DEMO — демонстрационный реактор после ITER). В то же время стеллараторы демонстрируют потенциал как стабильные и устойчивые системы для долгосрочной эксплуатации, особенно с развитием технологий сверхпроводников и численного проектирования катушек.
Развитие обоих направлений — необходимое условие для создания безопасных, эффективных и масштабируемых источников термоядерной энергии.