Токамак

Так называется одна из основных советских программ осуществления управляемого термоядерного синтеза. В физике плазмы принято каждому типу установок давать специальное условное название. Наши установки называются Токамак. Они созданы и работают в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова.

Устройство установки Токамак схематически показано на рисунке 7. Тороидальная камера имеет две оболочки: внешнюю (1) - из толстой меди и внутреннюю (2) - из тонкой нержавеющей стали. Внутренняя камера (ее называют лайнером) и пространство между нею и медной оболочкой откачиваются высоковакуумными насосами. Перед началом каждой серии опытов лайнер длительно прогревают в вакууме при температуре около 400° С. Таковы требования вакуумной гигиены. Ведь общее количество плазмы в камере невелико - всего около стотысячной доли грамма. А объем камеры велик, поэтому достаточно ничтожного поверхностного слоя примесей на ее стенках - и будет не дейтериевая, а грязная плазма, состоящая из самых разнообразных элементов.

Рис. 7. Установка Токамак (в разрезе).

Цифрой 3 обозначен плазменный виток. Продольное магнитное поле создается с помощью катушек (4), надетых на поверхность тороидальной камеры. Для питания катушек служат очень мощные батареи конденсаторов или специальные импульсные генераторы, аналогичные тем, которые применяют на больших ускорителях. Вся тороидальная камера надета на сердечник железного трансформатора (5), который служит для создания тока в плазме. Плазменный виток является здесь вторичной обмоткой трансформатора, а первичная обмотка (6) питается также от мощных конденсаторных батарей.

В самой большой установке Т-4, постройка которой закончена в 1971 г. (диаметр тороидальной камеры равен 1,8 м), сила тока в плазменном витке может достигать 300 000 А, а напряженность продольного магнитного поля - 4 МА/м.

Рис. 8. Для измерения концентрации заряженных частиц в плазме применяют просвечивание плазмы радиоволнами. Скорость распространения радиоволн в плазме зависит от концентрации электронов в ней. Радиоволны длиной 2 мм и 4 мм от генераторавысокочастотных колебаний (1) распространяются внутри полого металлического волновода (2) и через рупор (3) выходят наружу в виде направленного луча. Радиолуч проходит через плазменную струю (4) и принимается с другой стороны рупором приемного устройства (5). В экспериментальных установках плазменная струя просвечивается одновременно множеством радиолучей. Такое многолучевое зондирование плазмы дает очень важные сведения о распределении концентрации заряженных частиц по сечению плазменной струи и об изменении концентрации во времени.

Уже из упоминания о батареях конденсаторов можно понять, что установки Токамак работают в импульсном режиме. Колоссальные токи и магнитные поля, создаваемые в тороидальной камере, существуют не непрерывно, а в течение долей секунды. Непрерывное поддержание таких полей и токов потребовало бы огромных затрат энергии.

Оказалось, что установкам Токамак нужна не только вакуумная, но и магнитная гигиена. Требования к качеству магнитного поля, совершенству его геометрии гораздо выше, чем вначале предполагали. Напряженность магнитного поля в системе составляет миллионы ампер на метр, но достаточно, чтобы в систему проникло какое-нибудь постороннее поле всего в сотни ампер на метр, - и равновесие плазменного витка будет нарушено.

перейти к началу страницы