Що таке Токамак? Просто про термоядерному реакторі

чи Можете ви уявити собі світ, в якому не потрібні ніякі додаткові джерела енергії? Світ, в якому не треба замислюватися про те, як економити енергію. Вона буде не безкоштовною, то дуже дешевою. А тепер уявіть Сонце, яке кожну секунду виробляє стільки енергії, скільки людство не витратило за всю свою історію і не витратить ще довго. Як же ми можемо реалізувати отримання енергії Сонця на нашій планеті? Виявляється, вже більше 60 років існують технології, які здатні забезпечити нас майже невичерпними джерелами енергії за мінімальні гроші й з використанням майже безкоштовного палива. Резонне питання: чому ми не користуємося такою можливістю?

Що таке токамак

Саме слово "токамак" нічого не означає — це просто скорочення, яке потім стало повноцінним словом. Його використовують не тільки в Росії, але і за кордоном, так як саме в нашій країні цю штуку придумали і саме у нас вони довгий час активно розвивалися.

Суть токамака зводиться до того, щоб створити магнітне поле, в якому буде протікати реакція термоядерного синтезу. Так як температура такої реакції не просто висока, а буквально позамежна (кілька мільйонів градусів Цельсія), її не можна проводити просто всередині якоїсь камери — вона розплавиться задовго до досягнення робочої температури.

Така температура досягається через те, що всередині токамака речовина знаходиться в четвертому агрегатному стані, який досягається при таких високих температурах. Такий стан називається плазма.

Хто винайшов токамак

Першим, хто запропонував використовувати термоядерний синтез, в тому числі і для промислових цілей, був радянський фізик О. А. Лаврентьєв. Зробив він це у своїй роботі 1950 року. Саме з його роботи почалося вивчення способів використання термоядерного синтезу.

О. А. Лаврентьєв також є батьком водневої бомби.

Через рік інші фізики — А. Д. Цукрів та В. О. Тамм — розвинули ідею і сказали, що термоядерна реакція повинна підтримуватися в межах замкнутої камери тороїдальної форми.

Термін для позначення токамака був запропонований учнем академіка Курчатова — І. Н. Головіним. Правда, в його варіанті це повинен був бути "Токамаг" (тороїдальна камера магнітна), але пізніше стали використовувати більш милозвучне слово "Токамак".

А. Д. Цукрів та В. О. Тамм

Перший діючий токамак був побудований в 1954 році, але до 1968 року вони існували тільки в СРСР, так як мало хто вірив в існування всередині камери такої високої температури. Тільки після того, як в токамаке Т-3 в Інституті атомної енергії ім В. В. Курчатов побували англійські вчені й на своєму обладнанні підтвердили існування температури 11,6 мільйона градусів Цельсія, це призвело до вибухового зростання популярності і досліджень в цьому напрямку в світі.

Токамак і зараз вважається найбільш перспективним способом одержання енергії термоядерного синтезу та вивчення плазми, як агрегатного стану речовини.

Як працює токамак

Для створення всередині токамака магнітного поля, він складається з секцій, всередині яких намотані котушки. Так як вони йдуть по всій довжині камери і створюють щось на зразок замкнутого тунелю, получающееся магнітне поле називають тороїдальним. Це і є робоча зона установки.

Конструкцію токамака.

Перед початком роботи з камери токамака відкачують повітря, а замість цього заповнюють сумішшю дейтерію і тритію. Вони і є основою реакції термоядерного синтезу.

Перевага використання цих двох елементів у тому, що вони дуже дешеві. Дейтерій дуже легко виходить з води, якої на нашій планеті більш ніж достатньо, а тритій синтезується нехай і трохи більш складним способом, але це теж не є великою проблемою.

Коли камера заповнена, в ній створюється вихрове електричне поле, яке підтримують плазму всередині камери, а заодно розігріває її, доводячи до тієї самої температури у декілька мільйонів градусів.

Зараз тут працюють люди, а скоро буде 150 мільйонів градусів.

Так як поле та нагрівання створюються за рахунок збільшення струму в індукторі, а він не може збільшуватися нескінченно, час існування плазми в стабільному стані поки що не перевищує декількох секунд. Це і є головною причиною того, що ми поки не можемо використати токамаки в якості джерела промислового отримання енергії. Існую способи вирішення цієї проблеми, в тому числі з використанням мікрохвильового випромінювання, але поки що роботи в цьому напрямку ще ведуться.

Втім, і тому застосовується всередині токамака, так як тільки електромагнітного поля недостатньо для нагрівання плазми до температури, необхідної для здійснення термоядерної реакції.

Звичайна фізика частинок чітко говорить нам, що ядра з однаковим зарядом відштовхуються один від одного. Але при досягненні надвисоких температур, вони починають поводити себе інакше, утворюючи ядро гелію плюс один вільний нейтрон. Саме в цей момент і вивільняється величезна кількість енергії. В звичайних умовах вона витрачається на взаємодію атомів між собою.

Найбільший термоядерний реактор

Звичайно, можна сказати, що найбільший термоядерний реактор — це Сонце, але все це умовно, є зірки і побільше. Найбільший термоядерний реактор на Землі — це "Міжнародний експериментальний термоядерний реактор" (ІТЕР або ITER). Він будується на півдні Франції з 2007 року і, як і великий адронний коллайдер, є міжнародним проектом.

Для того, щоб описати його можливості, достатньо лише сказати, що всередині нього буде досягатися температура в 150 мільйонів градусів Цельсія. Це в 10 разів більше, ніж всередині сонячного ядра. Уявити собі такі значення просто неможливо.

Хто будує токамак ITER.

Коли ІТЕР буде добудований (про що ми обов'язково розповімо в ), він стане основною вивчення термоядерного синтезу для подальшого вивчення цієї реакції атомів, як потенційного джерела енергії майбутнього.

З цікавих цифр ІТЕР можна зазначити розмір токамака, який складе 28 метрів у діаметрі та 28 метрів у висоту. Проектна потужність складає 0,5 ГВт (в 2,5 більше найпотужнішого з того, що є зараз). Магнітне поле складе 10 Тесла (магнітне поле Землі становить 0,00005 Тесла).

Безпечна реакція термоядерного синтезу

Головною перевагою реакції термоядерного синтезу, що проходить всередині токамака, є її безпека. Можна здивуватися, як таке можливо при досягненні таких високих температур, але це дійсно так.

Все із-за того, що щільність плазми в мільйон разів менше щільності атмосфери. Завдяки такій особливості роботи, вибух з-за внутрішнього тиску просто неможливий. Та й якщо температура почне падати, плазма просто буде, як кажуть фізики, "обсипатися". Плюс, паливо подається протягом всієї реакції і для її зупинки достатньо просто припинити його подачу. Наприклад, атомну станцію просто вимкнути не можна .

Єдиною небезпекою є тільки те, що ізотоп тритію має невеликий радіоактивністю. Втім, вона не така висока, щоб переживати з цього приводу. Вона істотно нижче, ніж у палива для атомної станції. Наприклад, період напіврозпаду становить майже 5 мільярдів років (тобто майже ніколи), а тритію — всього 12 років. Та й використовується його мінімальна кількість.

А ще можна додати, що технологію реакції термоядерного синтезу не можна застосувати у військових цілях. Створення плазми поза токамака поки неможливо, а використання його самого в якості зброї слабо можливо із-за того, що він не вибухає.

Чому енергію не отримують з термоядерного синтезу

Незважаючи на всю перспективність технології і те, що про неї заговорили вже більше 70 років тому, поки не виходить домогтися промислової роботи таких пристроїв. Досі в них є, що доопрацьовувати. Наприклад, можливість тривалої роботи і подальше підвищення температури плазми.

Тільки уявіть собі, як це маленьке сонце буде забезпечувати нас енергією в майбутньому.

Коли ця проблема буде вирішена, ми отримаємо на Землі , і тоді можна буде говорити, що ми досягли досконалості у виробленні енергії. Звичайно, можуть винайти і інші ще більш ефективні способи отримання енергії, але саме термоядерний синтез зараз може змінити дуже багато. Найголовніше, що ми отримаємо не тільки можливість не вимикати світло заради економії.

Головним плюсом переходу на таке джерело енергії є те, що коли вся енергія буде видобуватися саме з термоядерного синтезу, ми максимально зменшимо вплив на нашу планету. Нам не потрібно викопне паливо, ми обійдемося без атомних станцій, а заодно пересядемо на електричний транспорт і зможемо істотно продовжити життя нашій планеті. Може, й летіти нікуди не доведеться.

Усередині цієї камери температура піднімається до декількох мільйонів градусів Цельсія.