Ein tokamak ist ein Gerät mit einem magnetischen Feld, um ein Plasma in Form eines Rings zu beschränken. Das Erzielen eines stabilen Plasmagleichgewichts verlangt magnetische Feldlinien, die den Ring in einer spiralenförmigen Gestalt bewegen. Solch ein spiralenförmiges Feld kann durch das Hinzufügen eines toroidal Feldes erzeugt werden (um den Ring in Kreisen reisend), und eines poloidal Feldes (in Kreisen reisend, die zum toroidal Feld orthogonal sind). In einem tokamak wird das toroidal Feld durch Elektromagneten erzeugt, die den Ring umgeben, und das poloidal Feld das Ergebnis eines toroidal elektrischen Stroms ist, der innerhalb des Plasmas fließt. Dieser Strom wird innerhalb des Plasmas mit einem zweiten Satz von Elektromagneten veranlasst.

Der tokamak ist einer von mehreren Typen von magnetischen Beschränkungsgeräten, und ist einer der am meisten erforschten Kandidaten dafür zu erzeugen hat thermonukleare Fusionsmacht kontrolliert. Magnetische Felder werden für die Beschränkung verwendet, seitdem kein festes Material der äußerst hohen Temperatur des Plasmas widerstehen konnte. Eine Alternative zum tokamak ist der stellarator.

Tokamaks wurden in den 1950er Jahren von sowjetischen Physikern Igor Tamm und Andrei Sakharov erfunden, der durch eine ursprüngliche Idee von Oleg Lavrentiev begeistert ist.

Das Wort tokamak ist eine Transkription des russischen Wortes токамак, ein Akronym von irgendeinem "тороидальная камера с магнитными катушками" (toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami) — toroidal Raum mit magnetischen Rollen, oder "'тороидальная камера с аксиальным магнитным полем" (toroidal'naya kamera s aksial'nym magnitnym polem) — toroidal Raum mit dem axialen magnetischen Feld.

Geschichte

Obwohl Kernfusionsforschung begonnen hat, bald nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die Programme in verschiedenen Ländern jeder als Geheimnis am Anfang klassifiziert. Erst als nach den Vereinten 1955-Nationen die Internationale Konferenz für den Friedlichen Gebrauch der Atomenergie in Genf, dass Programme freigegeben wurden und internationale wissenschaftliche Kollaboration, stattfinden konnte.

Die experimentelle Forschung von tokamak Systemen hat 1956 im Institut von Kurchatov, Moskau durch eine Gruppe von sowjetischen von Lev Artsimovich geführten Wissenschaftlern angefangen. Die Gruppe hat den ersten tokamaks gebaut, das erfolgreichste Wesen t-3 und seine größere Version t-4. t-4 wurden 1968 in Novosibirsk geprüft, die allererste quasistationäre thermonukleare Fusionsreaktion führend.

1968, an der dritten IAEO Internationale Konferenz für die Plasmaphysik und Kontrollierte Kernfusionsforschung an Novosibirsk, haben sowjetische Wissenschaftler bekannt gegeben, dass sie Elektrontemperaturen von mehr als 1000 eV in einem tokamak Gerät erreicht hatten. Britische und amerikanische Wissenschaftler haben diese Nachrichten mit der Skepsis entsprochen, seitdem sie davon weit waren, diesen Abrisspunkt zu erreichen; sie sind misstrauisch geblieben, bis sich zerstreuende Lasertests die Ergebnisse ein paar Jahre später bestätigt haben.

Design von Toroidal

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Positiv und sind negativ beladene Ionen und negativ beladene Elektronen in einem Fusionsplasma bei sehr hohen Temperaturen, und haben entsprechend große Geschwindigkeiten. Um den Fusionsprozess aufrechtzuerhalten, müssen Partikeln vom heißen Plasma im Hauptgebiet beschränkt werden, oder das Plasma wird schnell kühl werden. Magnetische Beschränkungsfusionsgeräte nutzen die Tatsache aus, die angeklagt hat, dass Partikeln in einem magnetischen Feld Lorentz fühlen spiralenförmige Pfade entlang den Feldlinien zwingen und ihnen zu folgen.

Frühe Fusionsforschungsgeräte waren Varianten auf dem Z-Kneifen und haben elektrischen Strom verwendet, um ein poloidal magnetisches Feld zu erzeugen, um das Plasma entlang einer geradlinigen Achse zwischen zwei Punkten zu enthalten. Forscher haben entdeckt, dass ein einfaches toroidal Feld, in dem die magnetischen Feldlinien in Kreisen um eine Achse der Symmetrie, Grenzen ein Plasma kaum besser laufen als kein Feld überhaupt. Das kann durch das Schauen auf die Bahnen von individuellen Partikeln verstanden werden. Die Partikeln nicht nur Spirale um die Feldlinien, sie treiben auch über das Feld. Da ein toroidal Feld gebogen wird und in der Kraft abnimmt, die von der Achse der Folge, den Ionen und der Elektronbewegungsparallele zur Achse, aber in entgegengesetzten Richtungen abrückt. Die Anklage-Trennung führt zu einem elektrischen Feld und einem zusätzlichen Antrieb, in diesem Fall äußer (weg von der Achse der Folge) sowohl für Ionen als auch für Elektronen. Wechselweise kann das Plasma als ein Ring von Flüssigkeit mit einem magnetischen Feld angesehen werden, das darin eingefroren ist. Der Plasmadruck läuft auf eine Kraft hinaus, die dazu neigt, den Ring auszubreiten. Das magnetische Feld außerhalb des Plasmas kann diese Vergrößerung nicht verhindern. Das Plasma gleitet einfach zwischen den Feldlinien.

Für ein toroidal durch ein magnetisches Feld effektiv zu beschränkendes Plasma muss es eine Drehung zu den Feldlinien geben. Es gibt dann nicht mehr Fluss-Tuben, die einfach die Achse umgeben, aber, wenn es genügend Symmetrie in der Drehung, Fluss-Oberflächen gibt. Etwas vom Plasma in einer Fluss-Oberfläche wird auf der Außenseite (größerer Hauptradius, oder "Seite des niedrigen Feldes") des Rings sein und wird zu anderen Fluss-Oberflächen weiter von der kreisförmigen Achse des Rings treiben. Andere Teile des Plasmas in der Fluss-Oberfläche werden auf dem Inneren (kleinerer Hauptradius, oder "Hoch-Feldseite") sein. Da etwas vom äußeren Antrieb durch einen innerlichen Antrieb auf derselben Fluss-Oberfläche ersetzt wird, gibt es ein makroskopisches Gleichgewicht mit viel verbesserter Beschränkung. Eine andere Weise, auf die Wirkung zu schauen, die Feldlinien zu drehen, besteht darin, dass das elektrische Feld zwischen der Spitze und dem Boden des Rings, der dazu neigt, den äußeren Antrieb zu verursachen, shorted ist, weil es jetzt Feldlinien gibt, die die Spitze mit dem Boden verbinden.

Wenn das Problem noch näher, das Bedürfnis nach einem vertikalen betrachtet wird (Parallele zur Achse der Folge), entsteht der Bestandteil des magnetischen Feldes. Die Lorentz Kraft des toroidal Plasmastroms im vertikalen Feld stellt die innerliche Kraft zur Verfügung, die den Plasmaring im Gleichgewicht hält.

Dieses Gerät, wo ein großer toroidal Strom gegründet wird (15 Megaampere in ITER) leidet unter einem grundsätzlichen Problem der Stabilität. Die nichtlineare Evolution von magnetohydrodynamical Instabilitäten führt zu einem dramatischen löschen des Plasmastroms auf einer Skala der sehr kurzen Zeit der Ordnung der Millisekunde. Sehr energische Elektronen werden geschaffen (flüchtige Elektronen), und ein globaler Verlust der Beschränkung wird schließlich erhalten. Eine sehr hohe Energie wird auf kleinen Gebieten abgelegt. Dieses Phänomen wird eine Hauptstörung genannt. Das Ereignis von Hauptstörungen im Laufen tokamaks ist immer der Ordnung von einigem Prozent der Gesamtzahlen der Schüsse ziemlich hoch gewesen. In zurzeit bedientem tokamaks ist der Schaden häufig groß, aber selten dramatisch. Im ITER tokamak wird es erwartet, dass das Ereignis einer begrenzten Zahl von Hauptstörungen den Raum ohne Möglichkeit endgültig beschädigen wird, das Gerät wieder herzustellen. Dieses kritische Problem wird von den Befürwortern des Projektes selten diskutiert. Tatsächlich deutet das sehr große Diameter der folgenden Generation tokamak an, dass es sehr schwierig sein wird, die Störungen zu lindern, die eine bedeutende Herausforderung in der Zukunft tokamaks aufstellen, wo die vergrößerte versorgte Energie zu unannehmbar großen vergänglichen Hitzelasten auf Plasmaeinfassungen-Bestandteilen führen kann.

Plasmaheizung

In einem Betriebsfusionsreaktor wird ein Teil der erzeugten Energie dienen, um die Plasmatemperatur aufrechtzuerhalten, weil frischer schwerer Wasserstoff und Tritium eingeführt werden. Jedoch, im Anlauf eines Reaktors, entweder am Anfang oder nach einer vorläufigen Stilllegung, wird das Plasma zu seiner Betriebstemperatur von größeren geheizt werden müssen als 10 keV (mehr als 100 Millionen Grad Celsius). Im Strom tokamak (und anderer) magnetische Fusionsexperimente wird ungenügende Fusionsenergie erzeugt, um die Plasmatemperatur aufrechtzuerhalten.

Heizung von Ohmic

Da das Plasma ein elektrischer Leiter ist, ist es möglich, das Plasma durch das Verursachen eines Stroms dadurch zu heizen; tatsächlich stellt der veranlasste Strom, der das Plasma gewöhnlich heizt, den grössten Teil des poloidal Feldes zur Verfügung. Der Strom wird durch die langsame Erhöhung des Stroms durch ein elektromagnetisches mit dem Plasmaring verbundenes Winden veranlasst: Das Plasma kann als das sekundäre Winden eines Transformators angesehen werden. Das ist von Natur aus ein pulsierter Prozess, weil es eine Grenze zum Strom durch die Vorwahl gibt (es gibt auch andere Beschränkungen auf lange Pulse). Tokamaks muss deshalb entweder seit kurzen Perioden funktionieren oder sich auf andere Mittel der Heizung und aktuellen Laufwerk verlassen. Die durch den veranlassten Strom verursachte Heizung wird ohmic (oder widerspenstig) Heizung genannt; es ist dieselbe Art der Heizung, die in einer elektrischen Glühbirne oder in einem elektrischen Heizgerät vorkommt. Die erzeugte Hitze hängt vom Widerstand des Plasmas und dem Betrag des elektrischen Stroms ab, der es durchbohrt. Aber als die Temperatur von erhitzten Plasmaanstiegen, den Widerstand-Abnahmen und der Ohmic-Heizung tritt weniger in Kraft. Es scheint, dass die maximale Plasmatemperatur, die durch ohmic erreichbar ist, der in einem tokamak heizt, 20-30 Millionen Grad Celsius ist. Um noch höhere Temperaturen zu erhalten, müssen zusätzliche Heizungsmethoden verwendet werden.

Einspritzung des neutralen Balkens

Einspritzung des neutralen Balkens ist mit der Einführung von energiereichen verbunden (schnell sich bewegend) Atome in den ohmically geheizt, magnetisch beschränktes Plasma. Die Atome werden ionisiert, weil sie das Plasma durchführen und durch das magnetische Feld gefangen werden. Die energiereichen Ionen übertragen dann einen Teil ihrer Energie zu den Plasmapartikeln in wiederholten Kollisionen, die Plasmatemperatur vergrößernd.

Magnetische Kompression

Ein Benzin kann durch die plötzliche Kompression geheizt werden. Ebenso wird die Temperatur eines Plasmas vergrößert, wenn sie schnell durch die Erhöhung des beschränkenden magnetischen Feldes zusammengepresst wird. In einem tokamak System wird diese Kompression einfach durch das Bewegen vom Plasma in ein Gebiet des höheren magnetischen Feldes (d. h., radial nach innen) erreicht. Da Plasmakompression die Ionen näher zusammen bringt, hat der Prozess den zusätzlichen Vorteil, Erreichung der erforderlichen Dichte für einen Fusionsreaktor zu erleichtern.

Radiofrequenz-Heizung

Elektromagnetische Hochfrequenzwellen werden durch Oszillatoren (häufig durch gyrotrons oder klystrons) außerhalb des Rings erzeugt. Wenn die Wellen die richtige Frequenz (oder Wellenlänge) und Polarisation haben, kann ihre Energie den beladenen Partikeln im Plasma übertragen werden, die der Reihe nach mit anderen Plasmapartikeln kollidieren, so die Temperatur des Hauptteil-Plasmas vergrößernd. Verschiedene Techniken bestehen einschließlich der Elektronzyklotron-Klangfülle-Heizung (ECRH) und Ion-Zyklotron-Klangfülle-Heizung. Diese Energie wird gewöhnlich durch Mikrowellen übertragen.

Das Abkühlen von Tokamak

Die Fusionsreaktionen im Plasma, das um einen tokamak Reaktor schnell wächst, erzeugen große Beträge von hohen Energieneutronen. Diese Neutronen, elektrisch neutral seiend, werden im Strom von Plasma durch die toroidal Magnete nicht mehr gehalten und gehen weiter bis ist die Innenwand des tokamak kurz vorbeigekommen. Das ist ein großer Vorteil von tokamak Reaktoren, da diese befreiten Neutronen eine einfache Weise zur Verfügung stellen, Hitze aus dem Plasmastrom herauszuziehen; das ist, wie der Fusionsreaktor verwendbare Energie erzeugt. Die Innenwand des tokamak muss abgekühlt werden, weil diese Neutronen genug Energie nachgeben, die Wände des Reaktors zu schmelzen. Ein kälteerzeugendes System wird verwendet, um Hitzeverlust von den Superleiten-Magneten zu verhindern. Größtenteils flüssiges Helium und flüssiger Stickstoff werden als Kühlmittel verwendet. Keramische Teller haben spezifisch vorgehabt, hohen Temperaturen zu widerstehen, werden auch auf der Innenreaktorwand gelegt, um die Magnete und den Reaktor zu schützen.

Experimenteller tokamaks

Zurzeit in der Operation

• TM1-MH (seit 1977 Castor, seit 2007 Golem) in Prag, Tschechien; in der Operation im Institut von Kurchatov seit dem Anfang der 1960er Jahre; 1977, der Castor umbenannt ist und zu IPP CAS, Prag bewegt ist; 2007 hat sich zu FNSPE, tschechischer Technischer Universität in Prag, und umbenannt zu Golem bewegt
• T-10, im Institut von Kurchatov, Moskau, Russland (früher die Sowjetunion); 2 MW; in der Operation seit 1975
• TEXTOR, in Jülich, Deutschland; in der Operation seit 1978
• Joint European Torus (JET), in Culham, das Vereinigte Königreich; 16 MW; in der Operation seit 1983
• Novillo Tokamak, am Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, in Mexiko City, Mexiko; in der Operation seit 1983
• JT-60, in Naka, Ibaraki Präfektur, Japan; in der Operation seit 1985
• STURM, Universität von Saskatchewan; Kanada in der Operation seit 1987; die erste Demonstration des Wechselstroms in einem tokamak.

Hat

• Supra, am CEA, Cadarache, Frankreich gerissen; in der Operation seit 1988
• Aditya, am Institut für die Plasmaforschung (IPR) in Gujarat, Indien; in der Operation seit 1989
• DIII-D, in San Diego, die USA; bedient durch die Allgemeine Atomphysik seit dem Ende der 1980er Jahre
• KOMPASS, in Prag, Tschechien; in der Operation seit 2008, vorher bedient von 1989 bis 1999 in Culham, das Vereinigte Königreich
• FTU, in Frascati, Italien; in der Operation seit 1990
• Tokamak ISTTOK, am Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Lissabon, Portugal; in der Operation seit 1991
• ASDEX Steigung, in Garching, Deutschland; in der Operation seit 1991
• Alcator C-Mod, MIT, Cambridge, die USA; in der Operation seit 1992
• Variable von Tokamak à configuration (TCV), am EPFL, die Schweiz; in der Operation seit 1992
• TCABR, an der Universität von São Paulo, São Paulo, Brasilien; dieser tokamak wurde von Centre des Recherches en Physique des Plasmas in der Schweiz übertragen; in der Operation seit 1994.
• HT-7, in Hefei, China; in der Operation seit 1995
• HL-2A, in Chengdu, China; in der Operation seit 2002
• MAST, in Culham, das Vereinigte Königreich; in der Operation seit 1999
• NSTX in Princeton, New Jersey; in der Operation seit 1999
• OSTEN (HT-7U), in Hefei, China; in der Operation seit 2006
• KSTAR, in Daejon, Südkorea; in der Operation seit 2008
• SST-1, im Institut für die Plasmaforschung Gandhinagar, Indien; die Operation von 1000 Sekunden.
• IR-T1, islamische Azad Universität, Wissenschaft und Forschungszweig, Tehran, der Iran

Vorher bedient

• LEUTNANT 1 Australien hat die Plasmaphysik-Gruppe der nationalen Universität den ersten tokamak außerhalb der Sowjetunion c gebaut. 1963
• t-3, im Institut von Kurchatov, Moskau, Russland (früher die Sowjetunion);
• t-4, im Institut von Kurchatov, Moskau, Russland (früher die Sowjetunion); in der Operation 1968
• Texas Unruhiger Tokamak, Universität Texas, der USA; in der Operation von 1971 bis 1980.
• Tokamak de Fontenay aux Roses (TFR), in der Nähe von Paris, Frankreich
• Alcator A und Alcator C, MIT, die USA; in der Operation von 1973 bis 1979 und von 1978 bis 1987, beziehungsweise.
• TFTR, Universität von Princeton, die USA; in der Operation von 1982 bis 1997
• T-15, im Institut von Kurchatov, Moskau, Russland (früher die Sowjetunion); 10 MW; in der Operation von 1988 bis 2005
• UCLA Elektrischer Tokamak, in Los Angeles, die Vereinigten Staaten; in der Operation von 1999 bis 2005
• Tokamak de Varennes; Varennes, Kanada; in der Operation von 1987 bis 1999; bedient durch Hydroquebec und verwendet von Forschern von Institut de recherche en électricité du Québec (IREQ) und Institut nationaler de la recherche scientifique (INRS)
• FANGEN SIE in Culham, das Vereinigte Königreich AN; in der Operation von 1991 bis 1998
• KOMPASS in Culham; in der Operation bis 2001
• HL-1M Tokamak, Chengdu, China; in der Operation von 1994 bis 2001

Geplant

• ITER, internationales Projekt in Cadarache, Frankreich; 500 MW; Aufbau hat 2008, das erste Plasma erwartet 2019 begonnen
• DEMO; 2000 MW, dauernde Operation, haben zum Macht-Bratrost in Verbindung gestanden. Geplanter Nachfolger von ITER; Aufbau, um 2024 gemäß dem einleitenden Fahrplan zu beginnen.

Siehe auch

• Die Abteilung auf Ohne Dimension Rahmen in tokamaks im Artikel über Plasma, das klettert
• Rand-lokalisierte Weise
• Stellarator
• Kneifen des umgekehrten Feldes
• Liste von Plasma (Physik) Artikel

Referenzen

Links

• CCFE - Seite vom Fusionsforschungszentrum des Vereinigten Königreichs CCFE.
• Plasmawissenschaft - Seite auf tokamaks vom französischen CEA.
• Fusionsprogramme an der Allgemeinen Atomphysik, einschließlich der DIII-D Nationalen Fusionsmöglichkeit, eines experimentellen tokamak.
• Fusion und Plasmaphysik-Seminar an MIT OCW
• Inoffizieller ITER Fanclub, der Klub für Anhänger des größten tokamak hat geplant, in der nahen Zukunft gebaut zu werden.
• www.tokamak.info Umfassende Liste von aktuellem und historischem tokamaks von der ganzen Welt.
• SSTC-1 Übersicht-Video einer kleinen Skala tokamak Konzept.
• SSTC-2 Abteilungsansicht-Video einer kleinen Skala tokamak Konzept.
• SSTC-3 Fliege Durch das Video einer kleinen Skala tokamak Konzept.
• http://www.plasma.inpe.br/LAP_Portal/LAP_Site/Text/Tokamak_Development.htm Information über Bedingungen, die für die Kernreaktion in einem tokamak Reaktor notwendig

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