Տոկամակ

Վիքիփեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Տոկամակը մի մեքենա է, որ կարկանդակաձև (տորաձև) մագնիսական դաշտ է արտադրում պլազմայի սահմափակելու համար: Դա մագնիսական սահմանափակման քանի գործիքներից մեկն է, և ամենահետազոտված թեկնածուներից մեկը վարած ջերմամիջուկային ֆուզիոնի ուժ արտադրելու համար:

Տոկամակ բառը ռուսերեն токамак-ից է գալիս, որը մի հապավում է тороидальная камера в магнитных катушках (տորաձև միջարկղ մագնիսական կոճերում) առաջին տառերից:^[1] Դա ստեղծվել է 1950-ականներին խորհրդային գիտնականների՝ Իգոր Եվգենևիչ Տամի և Անդրեյ Սախարովի միջոցով (ովքեր ներդաշնակվել էին Օլեգ Լավրենտիևի բնագիր մտքով^[2]):

Տոկամակը հատկանշվում է պպտվող (ազիմուտական) համաչափությամբ և պլազմածին էլեկտրական հոսանքների օգտագործմամբ՝ կայուն հավասարակշռության համար մագնիսական դաշտի պարուրաձև բաղադրիչը առաջացնելու համար: Սա կարելի է հակադրել մի ուրիշ կարկանդակաձև մագնիսական սահմանափակման գործիքի հետ՝ աստղարարի (ստելարատորի) հետ, որը մի դիսկրիտ (օր.՝ հինգ-ծալ) պտտողական համաչափություն ունի, և որտեղ բոլոր սահմանափակող մագնիսական դաշտերը արտաքին կոճերով են առաջացվում, պլազմայի միջից չնչին էլեկտրական հոսանք թուլատրելով:

Բովանդակություն 1 Պատմություն 2 Կարկանդակաձև նախագծում 3 Պլազմայի տաքացնելը 3.1 Օհմական տաքացում 3.2 Չեզոք ճառագայթի ներարկում 3.3 Մագնիսական սեղմում 3.4 Ռադիոհաճախականական տաքացում 4 Տոկամակի սառեցում 5 Աղբյուրներ

[խմբագրել] Պատմություն

Թեև միջուկային ֆուզիոնի հետազոտությունը սկսվեց Երկրորդ Համաշխարհային Պատերազմից անմիջապես հետո, ծրագրերը նախապես դասակարգված (գաղտնի) էին: Մինչ 1955 թվականի ՄԱԿ-ի Ատոմային Էներգետիկայի Խաղաղ Օգտագործությունների Միջազգային Ժողովը Ժենևայում տևեց, որ այս ծրագրերը ապադասակարգայնվեն և միջազգային գիտական համագործակցությունը տեղի ունենա:

Տոկամակների փորձնական հետազոտությունը սկսվեց 1956 թվականին Մոսկվայի Կուրչատով Ինստիտուտում, խորհրդային մի խումբ գիտնականների միջոցով, Լև Արցիմովիչի առաջնորդությամբ: Խումբը կառուցեց առաջին տոկամակները, նրանցից ամենահաջողը լինելով T-3 և իր ավելի մեծ տարբերակ T-4-ը: T-4-ը ստուգվեց 1968 թվականում Նովոսիբիրսկում, առաջին անգամվա համար գրեթե-կայուն ջերմամիջուկային ֆուզիոնի փոխազդեցություն ցուցաբերելով:^[3]

1968 թվականին, երրորդ Ատոմային Էներգիայի Միջազգային Գործակալության Նովոսիբիրսկում անց կացված Պլազմայի Ֆիզիկայի և Կառավարված Միջուկային Ֆուզիոնի Հետազոտության Միջազգային Ժողովում, Խորհրդային գիտնականները հայտարարեցին թե 1000 էՎ-ից բարցր էլեկտրոնային ջերմաստիճաններ էին ձեռք բերել տոկոմակում: Սա ապշեցրեց անգլիացի և ամերիկացի գիտնականներին, որոնք այդ ստանդարտից շատ հեռու էին: Նրանք մնացին կասկածով, մինչև քանի տարի հետո սփռող լազերով կատարված փորձերը հաստատեցին սկզբնական ջերմաստիճանի չափումները:

Քանի որ տոկոմակի գործողությունը իրենց առկա սարքերին գերազանցում էր, ֆուզիոնի հետազոտական ծրագրերը արագորեն փոխեցին տոկոմակի օգտագործման: Տոկոմակը մնում է ամենախոստումնալից սարքը միջուկային ֆուզիոնից զուտ ուժ ստանալու համար, որից և օգտագործվում է ԻԹԵՐ սարքի կառուցման մեջ:

[խմբագրել] Կարկանդակաձև նախագծում

Ֆուզիոնի պլազմայի միջի իոնները և էլեկտրոննետը շատ բարձր ջերմաստիճաններում են գտնվում, և համապատասխան բարձր արագություն ունեն: Ֆուզիոնի ընթացքը պահպանելու համար, տաք պլազմայի մասնիկները պիտի սահմանափակվեն, թե չե պլազման արագորեն կսառի: Մագնիսական սահմանափակման սարքերը օգտագործում են այն փաստը, որ մագնիսական դաշտում լիցքով մասնիկները Լորենցի ուժ են զգում և հետևում պարուրաձև արահետներ դաշտի գծերի շուրջ:

Նախնական ֆուզիոնի հետազոտման սարքերը Z-կճմթոցի տարատեսակներ էին և օգտվում էին էլեկտրական հոսանքից մի պոլոյդաձև մագնիսական դաշտ ստեղծելու համար, որը պլազմային պահում էր երկու կետերի միջև գծակերպ առանցքի ուղղությամբ: Հետազոտողները հայտնաբերեցին թե կարկանդակաձև կերպում սահմանափակված պլազմաները, որտեղ մագնիսական դաշտի գծերը կարկանդակի առանցքի զուգահեռ են, արագ անկայունության ենթակա են և արագորեն կորցնում են սահմանափակությունը: Տոկամակը և նմանատիպ աստղարար (ստելարատոր) նախագծերը կարկանդակաձ դաշտի հետ միավորում են նաև պոլոյդաձև մի դաշտ, պլազմային կայունացնելու համար. Կարկանդակաձև-պոլոյդաձև մագնիսական դաշտում, մասնիկները կարկանդակային առանցքի ուղղությամբ պարուրաձև պտտվում են:

[խմբագրել] Պլազմայի տաքացնելը

Մի աշխատող ֆուզիոնի ռեակտորում, արտադրված էնեգիայի մի մասը ծախսվելու է պլազմայի ջերմաստիճանը պահապնելու համար՝ թարմ դեյտերիում և տրիտիումը ներս ընթանալիս: Սակայն, ռեակտորի սկսնակետին, կամ սկզբում և կամ ժամանակավոր կանգառումից հետո, պլազման պիտի մինչ 10 կէՎ-ից բարձր գործողական ջերմաստիճան տաքացվի (100 միլիոն աստիճան ցելսիուսից բարձր): Ներկա տոկամակների (և ուրիշ) մագնիսական ֆուզիոնի փորձերում, արտադրված ֆուզիոնի էներգիան հերիք չէ պլազմայի ջերմաստիճանը պահպանելու համար:

[խմբագրել] Օհմական տաքացում

Քանի որ պլազման էլեկտրական հաղորդիչ է, կարելի է նրան տաքացնել իր միջից հոսանք առաջացնելով. փաստորեն, այն առաջացրած հոսանքը, որ տաքացնում է պլազմային ընդհանրապես պոլոյդաձև դաշտի մեծ մասն էլ առաջացնում: Հոսանքն առաջացվում է մի էլեկլտրամագնիսական փաթույթի միջից հոսանքը դանդաղորեն բարձրացնելով, որը կապված է պլազմայի կարկանդակի հետ՝ պլազման այստեղ կարելի է դիտել որպես հոսանքափոխարկչի երկրորդական փաթույթը: Սա հատկապես մի պուլստեցված ընթացք է, որովհետև առաջային փաթույթի հոսանքի վրա սահման կա (նաև երկար պուլսերի դեպքում կա ուրիշ սահմաններ): Ուրեմն տոկամակները պետք է կամ կարճ ժամանակով աշխատեն, կամ ուրիշ ձևերի վրա հենվեն տաքանալու և հոսանքի վարելու համար: Առաջացված հոսանքի միջոցով պատճառած տաքությունը կոչվում է օհմական (կամ դիմադրողական) տաքություն. դա նույն տեսակ տաքացումն է, որ էլեկտրական լամպի կամ էլեկտրական ջեռուցիչում է կատարվում: Կազմված տաքությունը կախված է պլազմայի դիմադրության և հոսանքի վրա: Իսկ երբ տաքացված պլազմայի ջերմաստիճանը բարձրանում է, իր դիմադրությունը իջնում է, և օհմական տաքացման արդյունավետությունը նաև իջնում է: Թվում է թե ամենաբարձր պլազմայի ջերմաստիճանը, որ կարելի է օհմական տաքացումով հասնել տոկամակում՝ 20-30 միլիոն աստիճան ցելսիուս է: Ավելի բարձր ջերմաստիճանների համար, ուրիշ տաքացման ձևեր պետք է օգտագործվեն:

[խմբագրել] Չեզոք ճառագայթի ներարկում

Չեզոք ճառագայթի ներարկումը պարունակում է բարձր էներգիայի (արագորեն շարժվող) ատոմները օհմապես-տաքացրած, մագնիսապես-սահմանափակված պլազմայի մեջ սրսկելը: Պլազմայում անցնելիս ատոմները իոնացվում են և մագնիսական դաշտով բռնվում: Հետո բարձր էներգիայով իոնները իրենց էներգիայի մի մասը փոխանցում են պլազմայի մասնիկներին շարունակ բախումներում՝ բարձրացնելով պլազմայի ջերմաստիճանը:

[խմբագրել] Մագնիսական սեղմում

Մի գազ կարող է միանգամայն սեղմումից տաքանալ: Նույնպես, պլազմայի ջերմաստիճանը ավելանում է եթե սահմանափակող մագնիսական դաշտի ավելացումով այն արագորեն սեղմվի: Տոկամակի համակարգում սա հասարակապես նվաճվում է պլազմային ավելի բարձր մագնիսական դաշտ (այսինքն՝ շառավիղորեն ներս) հրելով: Քանի որ պլազմայի սեղմումը նաև իոններն է իրար մոտեցնում, այս ընթացքը նպաստում է նաև ֆուզիոնի ռեակտորի համար պահանջված խտությունը ձեռք բերելով:

[խմբագրել] Ռադիոհաճախականական տաքացում

Բարձր հաճախականության էլեկտրոմագնիսական ալիքները կարկադակից դուրս տատանվողների (oscillator) (հաճախ գիրոտրոնների կամ կլիստրոնների) միջոցով են ստեղծվում: Եթե ալիքները ճիշտ հաճախականություն (կամ ալիքի երկարություն) և բևեռականություն ունենան, իրենց էներգիայն կարող է պլազմայի միջի մասնիկներին փոխանցվել, որոնք իրենց հերթին բախվում են ուրիշ պլազմայի մասնիկների հետ, և այսպիսով պլազմայի բոլոր ծավալի ջերմաստիճանը բարձրացնում: Տաբեր տեխնիկաներ գոյություն ունեն ինչպես էլեկտրոն ցիկլոտրոն ռեզոնանս տաքացումը (ECRH) և իոն ցիկլոտրոն ռեզոնանս տաքացումը (ICRH):

[խմբագրել] Տոկամակի սառեցում

Մի տոկամակ պարունակում է փոխազդող պլազմա, որը գալարվում է ռեակտորի շուրջ: Քանի որ բարձր քանակությամբ ռեակցիաներ են պետք ամեն վայրկյանում՝ տոկամակի միջի ռեակցիան պահպանելու համար, արագորեն բարձր քանակությամբ բարձր էներգիայով նեյտրոններ են ազատվում: Այս նեյտրոններն էլ կարկանդակային մագնիսներով պլազմայի հոսանքում չեն պահվում և շարունակում են իրենց ճանապարհը մինչև տոկամակի ներքին պատի միջոցով կանգնեցվում են: Սա տոկամակ ռեակտորնեի մեծ շահերից է, քանի որ սրանք շատ բարձր էներգիայով նեյտրոններ են և առաջացնում են մի հասարակ ճանապարհ պլազմայի հոսանքից տաքություն քաղելու համար: Տոկամակի ներքին պատերը պիտի սառեցվեն, քանի որ այս նեյտրոնները բավականին բարձր ջերմաստիճանի են ռեակտորի ներքին պատերը հալելու համար: Մի կրիոգենիկ համակարգ է օգտագործվում մագնիսները և ռեակտորի ներքին պատերը սառեցնելու համար: Շատ անգամ հեղուկ հելիում և հեղուկ ազոտ են օգտագործվում որպես սառեցնող:^[4] Նաև կերամիկա պնակներ են հատկապես նախագծվել տաք ջերմաստիճաններին դիմանալու համար, որոնք դրվում են ռեակտորի ներքին պատի վրա՝ մագնիսներին և ռեակտորին պաշտպանելու համար:

[խմբագրել] Աղբյուրներ

դ • ք • խ Ֆուզիոնի միջոցներ Մագնիսական սահմանափակում Տոկամակ · Գնդամակ · Աստղարար · Հակառակ դաշտի կճմթոց · Դաշտը հակադրված տեսք · Օդակախ Երկբևեռ Իներցիական սահմանափակում Լազերավար · Z-կճմթոց · Պղպջակի ֆուզիոն (ձայնական) · Ֆուզոր (էլեկտրաստատիկ) · Մագնիսացված թիրախ Այլ ձևեր Մյուոնով կատալիզացված · Հրաէլեկտրական · Միգմա · Բազմահոր · Խիտ պլազմայի կենտրոնացում