Альтернативные источники энергии⁠⁠

Представьте мир, использующий энергию, питающую Солнце и звезды, потенциальный источник безопасности и практически безграничной энергии.

Токамак - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.

Подготовка строительной площадки в Кадараш на юге Франции началась в январе 2007 года. Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла до 19 миллиардов, и затем срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году.

Сделаем ремарку, что плазма - это ионизованный газ, одно из четырех основных агрегатных состояний вещества. Что же собой представляет управляемый термоядерный синтез? Это контролируемый распад более тяжёлых ядер на более лёгкие с высвобождением большого количества энергии. Для достижения результата используются изотопы ядра атомов изотопов H водорода - дейтерий и тритий, а также изотопы He гелия и B бора в перспективе.

Конструкция Токамака

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Самый «простой» способ такого распада: D + T ➞ 4He + n + 17,6 МэВ, при t = 108 ℃. При такой температуре атомы начинают очень быстро хаотично передвигаться с образованием новых атомов гелия. При этом происходит колоссальное выделение энергии.

Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле.
Вихревое магнитное поле - это поле с замкнутыми силовыми линиями.
В середине установлен сердечник с первичной обмоткой для тока высокой частоты. Его вторичная обмотка - тороидальная камера.

Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы. Этот ток выполняет роль нагрева плазмы. Однако пришлось научиться отчищать плазму от различных примесей тяжелее углерода, так как они не ионизируются полностью даже при столь высоких температурах. Это сказывалось на количестве ожидаемой получаемой энергии.

Нагревать плазму до 108 ℃ научились доводить еще в 70 годах. Однако для получения энергии требуется, что бы часть воспроизводимого тепла была направлена на подогрев термоядерного реактора. Нестабильность такой реакции заключается в том, что хоть при мельчайшей утечке большего количества тепла, что ожидалось, термоядерная реакция перестает функционировать.

Для эффективного термоядерного синтеза требуется довести реакцию до определенной плотности плазмы, считается, что такая плотность должна составлять 1020 – 1021 n/sm3 , где n - количество частиц. Не стоит забывать, что с увеличением плотности, растет и оказываемое плазмой давление, которое надо удерживать от прикосновения к стенкам, а также чтобы не разнести установку.

Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:
• нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник (омический нагрев);
• создаёт вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется полоидальным

Тороидальные и полоидальные ветки представляют собой стабилизаторы плазмы. Они создают магнитные поля, которые определяют движение плазмы. Однако управлять такой стабильностью очень сложно, возникают до сих пор нерешенные проблемы с контролем давления плазмы, а также с давлением магнитного поля.

Кроме тороидальных катушек для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля. Они представляют собой кольцевые витки вокруг вертикальной оси камеры токамака.
Одного только нагрева за счёт протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на так называемых резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) или инжекция быстрых нейтральных атомов.

Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создается за счёт увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом токамаке пока ограничено несколькими секундами.

Сложность в удержании стабильного состояния плазмы, доведение её до определенной температуры, дивертирование (отчистка) плазмы, давление плазмы и магнитных полей - всё это проблемы с которыми пришлось столкнуться при реализации этого проекта. Думаю, на этом список не заканчивается, однако не могу не упомянуть весомый, если не основной аспект, встречающий ученый на своем пути. В реакции образования атомов гелия, приводимой ранее, указывалось высвобождаемая энергия равная 17,6 МэВ. Однако большую часть этой энергии уносят с собой нейтроны ∼ 14,1 МэВ - 80% высвобождаемой энергии.

По состоянию на 5 октября количество выполненных работ до "первой плазмы" составило 57%. Об этом сообщил сайт ITER. Напомним, 50% отметку проект миновал в декабре 2017 года. По традиции, на этом сайте размещен фотоотчёт о текущем положении дел на строительной площадке.

Одна из самых умопомрачающих вещей на сайте ITER (https://static.iter.org/com/360/calendar/2018-08/) является 360º виртуальный тур по всей территории. А также можете посмотреть Live-камеры того, как продвигается работа над проектом.

Ссылки на полезные источники:
https://www.iter.org // сайт ITER
https://static.iter.org/com/360/calendar/2018-08/ // проект ITER 360°
https://www.youtube.com/watch?v=VZ2Fj-bZWbw
https://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак
Международный_экспериментальный_термоядерный_реактор
https://www.iter.org/donate

Спасибо за внимание.