Токамак — установка для магнитного удержания горячей плазмы в камере, похожей на бублик. Название происходит от русской аббревиатуры «тороидальная камера с магнитными катушками». Токамаки — один из главных путей к управляемому синтезу, но пока остаются экспериментами, а не электростанциями.
Как создаётся магнитная клетка
Тороидальные катушки формируют поле вдоль кольца. Ток, протекающий по самой плазме, создаёт полоидальное поле вокруг неё. Сложение полей даёт винтовые силовые линии, по которым движутся заряженные частицы. Дополнительные катушки управляют положением и формой плазменного шнура.
Плазменный ток обычно индуцируют центральным соленоидом, как во вторичной обмотке трансформатора. Это естественно ведёт к импульсной работе: трансформатор нельзя бесконечно менять в одну сторону. Для будущего стационарного режима нужны неиндукционные методы поддержания тока.
Нагрев и устойчивость
Омический нагрев эффективен в начале, но с ростом температуры сопротивление плазмы падает. Тогда используют инжекцию быстрых нейтральных атомов и радиочастотные волны. Для дейтерий-тритиевого режима цель — чтобы альфа-частицы от реакций сами поддерживали значительную часть температуры.
Плазма склонна к колебаниям и срывам. Турбулентность переносит тепло к стенке, а внезапный срыв может создать большие электромагнитные и тепловые нагрузки. Дивертор выводит примеси и гелий и принимает особенно мощный поток тепла.
От эксперимента к станции
ITER должен проверить крупную горящую плазму и интеграцию магнитов, вакуума, нагрева и обращения с тритием. Он не преобразует тепло в электроэнергию. Последующим демонстрационным установкам предстоит испытать бланкет, производство трития, устойчивое обслуживание и высокий коэффициент готовности.
Стелларатор — альтернативная магнитная конфигурация, создающая винтовое поле в основном внешними катушками и потенциально пригодная для стационарной работы, но сложнее геометрически. Инерциальный синтез вообще не использует тороидальное удержание.
Актуальные этапы ITER доступны на официальной дорожной карте. Перспектива токамака зависит не только от достижения реакции, но и от того, сможет ли вся система регулярно, ремонтопригодно и экономично отдавать энергию.