Токамак (съкр. от руски „ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками“) представлява съоръжение за магнитно задържане на плазма и е едно от няколкото типа устройства за магнитно ограничаване, които се разработват за производство на контролирана енергия от термоядрен синтез. Тези устройства се стремят да имитират процесите, които протичащи в центъра на Слънцето и другите звезди с цел да осигурят на човечеството чиста и безопасна енергия.
Какво е плазма
Плазмата е йонизиран газ, едно от четирите основни състояния на материята. Йонизираният газ съдържа свободни електрони и положителни и отрицателни йони.
Принцип на работа на реактор тип токамак
Токамак по своя принцип е електрофизична инсталация, чиято основна цел е образуването на плазма (т.е. нагряване на газ до 100 млн. °C), постигане на нейната висока плътност и постигане на дългосрочното и съхранение в точно определен обем. Това ще направи възможно провеждането на реакция на термоядрен синтез на хелиеви ядра от изходна суровина, водородни изотопи (деутерий и тритий). В хода на реакцията трябва да се освободи енергия, която значително надвишава енергията, изразходвана за образуването на плазма.
Ако съвременните технологии на ядрената енергия се основават на реакция на разпад, когато по-леките ядра се образуват от по-тежки ядра, тогава по време на термоядрен синтез, напротив, леките атомни ядра се комбинират, за да образуват по-тежки.
По принцип става дума за изотопи на водорода - деутерий и тритий. Ядрото на първия се състои от протон и неутрон, а ядрото на втория се състои от протон и два неутрона. При нормални условия еднакво заредените ядра, разбира се, се отблъскват, но при свръхвисоки температури, напротив, те се обединяват. В резултат на това се образува хелиево ядро плюс един свободен неутрон, но най-важното е, че се освобождава огромно количество енергия, която атомите са изразходвали за взаимодействие помежду си. Деутерият лесно се „получава“ от вода, а тритият е по-нестабилен, поради което се произвежда вътре в инсталацията поради реакцията с литий.
Един термоядрен реактор - Слънцето - даде възможност на човечеството да живее на нашата планета, затопляйки се с топлината си. В центъра на звездата, където под въздействието на гравитацията се постига много висока плътност на плазмата, реакцията протича при температура от 15 млн. °C. На Земята няма да е възможно да се постигне такава плътност - остава само да се повиши температурата. В реактора на проекта тя трябва да достигне 150 млн. °C - 10 пъти по-висока, отколкото в слънчевото ядро!
Може ли някой друг освен физиците да си представи такова нещо? И кой от възможните материали на Земята може да го издържи? Няма такова нещо. Ето защо е изобретен токамакът. Неговата вакуумна камера под формата на куха "поничка" е заобиколена от свръхпроводящи електромагнити - те създават тороидални и полоидални магнитни полета, които не позволяват на горещата плазма да докосне стените на камерата. Има и централен електромагнит - индуктор. Промяната на тока в него предизвиква движението на частиците в плазмата, което е необходимо за синтеза.
Горивото за синтез изисква минимум, а безопасността е много по-висока, отколкото при настоящите технологии. В крайна сметка плътността на плазмата е много ниска (милион пъти по-ниска от плътността на атмосферата! ) - съответно не може да има експлозия. И при най-малкото понижаване на температурата реакцията спира - тогава плазмата, както казват физиците, просто се „разпада“, без да причинява никаква вреда на околната среда. Освен това горивото ще се зарежда непрекъснато, тоест работата на реактора може лесно да бъде спряна по всяко време. Практически не произвежда радиоактивни отпадъци.
Малко история за Токамак
Токамаците са първоначално концептуализирани през 50-те години на миналия век от съветските физици Игор Там и Андрей Сахаров, вдъхновени от писмо на Олег Лаврентиев. Първият работещ токамак се приписва на работата на Натан Явлински върху Т-1 през 1958 г., но демонстрира сериозни нестабилности. Днес все още се работи върху развитието на идеята и по-специално върху стабилността на устройството.
От края на 60-те години, когато успехът на съветските физици в областта на контролираната термоядрена реакция е налице, токамаците се появяват не само в Русия, но и в Казахстан, САЩ, Европа, Япония и Китай. Те доказват, че е реално да се създаде и задържи високотемпературна плазма, в която протича реакцията. Досега обаче задържането е кратко, отброяващо се в секунди, а също и скъпо от гледна точка на изразходваната енергия за загряване. За науката подобни резултати не са достатъчни, не и за човечеството да навлезе в нова енергийна ера.
И тогава се ражда идеята за международен проект, чиято основна задача е изграждането на реактор, способен да генерира енергия в обеми, много по-големи от необходимите за поддържане на термоядрена реакция. Q ≥ 10 – така го формулират физиците. Началото е положено през 1985 г. на среща на ръководителите на СССР и САЩ. Проектът е наречен Международен термоядрен експериментален реактор: ITER - в английска транскрипция.
Той решава обща задача за цялото човечество и мащабът е такъв, че една държава не може да го изпълни и затова той става международен. Днес в него участват страните от ЕС, Китай, Индия, Япония, Република Корея, Русия и САЩ. Участието на всяка страна се определя: Европа - 45%, останалите - 9% с малък, но изразен не във валута, а в материален принос - извършената работа или произведеното оборудване.
Минават десетилетия, докато проектът се нареди и "начертае" - на хартия, в 3D модели. И сега неговите характеристики и линии са начертани на реално място в южната част на Франция, до изследователския център Cadarache, който разполага със собствен токамак.
Към днешна дата идеята все още се разработва в различни проекти по света, като се работи върху стабилността на системата и по-точно върху задържането на плазмата при висока температура. Известен напредък имат учените от Института по физика на плазмата на Китайската академия на науките, където свръхпроводящият китайски токамак EAST (както го наричат "Китайското изкуствено Слънце") успява да поддържа температура 70 милиона °C, което е 2.6 пъти по-горещо, отколкото в центъра на Слънцето, за 1056 секунди. Но изглежда, че поставените първоначално цели на проекта ITER за получаване на първата плазма до 2020 г. и първата енергия в мрежата до 2027 г. са нереалистични.
Все пак учените не спират да мечтаят и работят, за да постигнат крайната цел - евтина, чиста и безопасна енергия за цялото човечество.
