Call us
|
Added
Dec 17, 2019
Location
Views
1723
Rating
  Loading... |
A tokamak (Russian acronym for “toroidal magnetic chamber”) is a toroidal (donut-shaped) machine in which a gas (usually hydrogen) hot and rarefied (in the plasma state) is kept cohesive and away from the inner walls thanks to a magnetic field created by electromagnets outside the chamber. Under appropriate conditions, it has been shown that it is possible to create the conditions for controlled thermonuclear fusion within it, in order to extract the thermal energy produced and produce electricity. Recently [when?] Excellent results have been achieved with the JET, and new results are expected from the entry into operation of ITER. By requiring an enormous amount of energy to operate the confinement electromagnets, and the auxiliary reactor systems, the plant’s capacity to produce more electricity than it consumes remains to be demonstrated.
The magnetic configuration known as ‘tokamak’ is the result of research conducted in 1950 by Russian scientists Andrei Sakharov and Igor Tamm, although the name dates back to 1957. In October 1950 they completed the first evaluations of the parameters necessary for a nuclear fusion reactor: Igor Kurčatov then supported them when, in 1951, Stalin decided to start the studies on nuclear fusion in the Soviet Union. The basic idea of the Tokamak was in fact to confine a gas at high temperature, completely ionized (in the plasma state), with electromagnetic fields, to obtain energy from controlled nuclear fusion.
In the West this configuration was unknown, as fusion research was kept secret: in the same period, in the United States Lyman Spitzer, at the laboratories of Princeton, New Jersey, studied the configuration known as stellarator. It was only in 1955 that the United States discovered the existence of the Tokamak at the International Conference on the Peaceful Use of Atomic Energy in Geneva, and only at the Second Geneva Conference (1958) were details of how to build a machine known. based on the Tokamak principle.
In 1968, at the third IAEA (International Conference on the Use and Control of Plasma and Nuclear Fusion) in Novosibirsk, Russian scientists announced that they had reached an electron temperature of over 1 000 eV in a tokamak (1 electron volts equals 11 605 kelvin). This routed British and American scientists, who were far from achieving such benefits. They remained suspicious until the tests were carried out with the laser, confirming the temperature actually reached by the Russians.
Since these performances were superior to those obtained until then, the scientists continued the fusion tests using the tokamak, even if alternative configurations (like the stellarator) are still the object of study. The Tokamak is in fact considered as one of the most promising ways to generate energy through nuclear fusion: some of the largest fusion experiments, such as the JET, FTU in Frascati and ASDEX in Europe, JT-60 in Japan, TFTR, DIII-D and Alcator C-mod in the USA are Tokamaks. Finally, an FGFFGF is also the ambitious ITER fusion proto-nuclear reactor project, whose construction (in Cadarache, France) was approved on 21 November 2006.
The gas mixture present in the tokamak is generally composed of two isotopes of hydrogen: deuterium and tritium. The plasma gas mixture is completely ionized and therefore controllable, exploiting the Lorentz force, through suitable external electromagnetic fields.
Magnetic fields are of three types: externally induced toroidal and vertical fields and poloidal field generated by the plasma itself. The first, generated by means of toroidal coils, allows to generate a direct field around the symmetry axis of the torus that constrains the charged particles to flow along that direction. The second, generated by means of coils, allows the control of the position of the plasma inside the torus. The third ensures the balance of the plasma.
The plasma to reach the conditions of thermonuclear fusion must satisfy particular conditions expressed in detail by the Lawson criterion (even if it is more appropriate, in the sizing of the tokamaks, to use the ignition criterion). To reach these conditions an important factor is the temperature of the plasma, due to the raising of which very high plasma energy is transmitted through various techniques, among which are to mention: ohmic heating, the introduction of high energy particles as well as irradiation of electromagnetic fields at the resonance frequency by means of radio frequency (RF) antennas.
In a tokamak, an initial vacuum is created by pushing vacuum pumps to create a high or deep vacuum. The plasma current in the toroidal container is turned on in three times:
current is introduced into the toroidal field coils;
then, a very small quantity of gas is introduced (generally hydrogen or its isotopes) whose properties we want to study.
a current is introduced into the central solenoid, which occupies the central hole of the torus (see figure to the side), creating a flow in the core of the Tokamak: it constitutes the primary circuit of a transformer, of which the torus constitutes the secondary circuit;
the current in the primary is rapidly lowered, and this creates an electromotive force. Neutral atoms are ionized, a discharge is created with electrons that are more and more numerous due to the impact of electrons and neutral atoms.
the gas is no longer neutral, but has become plasma: at this point the electric current, due to the Joule effect, heats the plasma to very high temperatures (a few million degrees).
If the gas introduced into the Tokamak is a mixture of deuterium and tritium, one can then study the thermonuclear fusion reactions of plasmas by recreating in some ways the environment inside the stars. The hope is to obtain the ignition of the plasma, a phenomenon that would self-sustain, in order to extract energy from nuclear fusion, an energy that leaves no radioactive waste nor is it liable to explosions or radiation leaks and in this sense is a completely “clean” energy. Working in ignition conditions (ie the operative condition in which the power of the confined charged particles alone is able to sustain the conduction, convection and Bremsstrahlung losses) although it seems advantageous from the energy point of view, since it is not necessary to supply any external heating power for stabilizing the fusion plasma, is inconvenient from the reactor control point of view since it would depend exclusively on the dynamics (turbulent and stochastic) of the plasma. Normally, therefore, the advantages of the ignition condition are sacrificed, still providing a part of the heating power externally (auxiliary power) to control the plasma.
Токамак, магнитная тороидальная камера, ядерный термоядерный реактор
Токамак (русская аббревиатура «тороидальная магнитная камера») – это тороидальная (пончик) машина, в которой газ (обычно водород) горячий и разреженный (в плазменном состоянии) остается связным и удаленным от внутренних стен благодаря магнитное поле, создаваемое электромагнитами вне камеры. При соответствующих условиях было показано, что в нем можно создать условия для управляемого термоядерного синтеза, чтобы извлекать произведенную тепловую энергию и производить электричество. В последнее время [когда?] Отличные результаты были достигнуты с помощью JET, и ожидаются новые результаты от ввода в эксплуатацию ИТЭР. Требуя огромного количества энергии для работы удерживающих электромагнитов и вспомогательных реакторных систем, способность станции производить больше электроэнергии, чем она потребляет, еще предстоит продемонстрировать.
Магнитная конфигурация, известная как токамак, является результатом исследований, проведенных в 1950 году российскими учеными Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, хотя название датируется 1957 годом. В октябре 1950 года они завершили первые оценки параметров, необходимых для Реактор ядерного синтеза: Игорь Курчатов тогда поддержал их, когда в 1951 году Сталин решил начать исследования по ядерному синтезу в Советском Союзе. Основная идея Токамака заключалась в том, чтобы ограничить газ при высокой температуре, полностью ионизированный (в плазменном состоянии) электромагнитными полями, для получения энергии из управляемого ядерного синтеза.
На Западе эта конфигурация была неизвестна, так как исследования слияния держались в секрете: в тот же период, в Соединенных Штатах, Лайман Спитцер, в лабораториях Принстона, штат Нью-Джерси, изучал конфигурацию, известную как стелларатор. Только в 1955 году Соединенные Штаты обнаружили существование Токамака на Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве, и только на второй Женевской конференции (1958) были известны подробности о том, как создать машину. основанный на принципе Токамак.
В 1968 году на третьей МАГАТЭ (Международная конференция по использованию и контролю за плазмой и ядерным синтезом) в Новосибирске российские ученые объявили, что в токамаке они достигли температуры электронов более 1000 эВ (1 электрон-вольт равняется 11 605 кельвинов). Это разгромило британских и американских ученых, которые были далеки от достижения таких выгод. Они оставались подозрительными, пока испытания не были проведены с лазером, подтверждая температуру, фактически достигнутую русскими.
Поскольку эти характеристики превосходили результаты, полученные до того времени, ученые продолжили испытания термоядерного синтеза с использованием токамака, даже если альтернативные конфигурации (например, стелларатор) все еще являются объектом исследования. Токамак фактически считается одним из наиболее перспективных способов получения энергии с помощью ядерного синтеза: некоторые из крупнейших экспериментов по термоядерному синтезу, такие как JET, FTU в Фраскати и ASDEX в Европе, JT-60 в Японии, TFTR, DIII-D и Alcator C-mod в США – это Токамакс. Наконец, FGFFGF – это также амбициозный проект по созданию ядерного термоядерного реактора ИТЭР, конструкция которого (в Кадараше, Франция) была одобрена 21 ноября 2006 года.
Газовая смесь, присутствующая в токамаке, обычно состоит из двух изотопов водорода: дейтерия и трития. Газовая смесь плазмы полностью ионизирована и, следовательно, управляема, используя силу Лоренца, через подходящие внешние электромагнитные поля.
Магнитные поля бывают трех типов: внешне индуцированные тороидальные и вертикальные поля и полоидальное поле, создаваемое самой плазмой. Первый, генерируемый с помощью тороидальных катушек, позволяет генерировать прямое поле вокруг оси симметрии тора, которое заставляет заряженные частицы течь вдоль этого направления. Второй, генерируемый с помощью катушек, позволяет контролировать положение плазмы внутри тора. Третий обеспечивает баланс плазмы.
Плазма для достижения условий термоядерного синтеза должна удовлетворять конкретным условиям, подробно описанным критерием Лоусона (даже если при калибровке токамаков более целесообразно использовать критерий воспламенения). Для достижения этих условий важным фактором является температура плазмы, благодаря которой очень высокая энергия плазмы передается с помощью различных методов, среди которых следует упомянуть: омический нагрев, введение частиц высокой энергии, а также облучение электромагнитных полей на резонансной частоте с помощью радиочастотных (РЧ) антенн.
В токамаке первоначальный вакуум создается путем нажатия вакуумных насосов для создания высокого или глубокого вакуума. Ток плазмы в тороидальном контейнере включается в три раза:
ток вводится в катушки тороидального поля;
затем вводится очень небольшое количество газа (обычно водорода или его изотопов), свойства которого мы хотим изучить.
ток вводится в центральный соленоид, который занимает центральное отверстие тора (см. рисунок сбоку), создавая поток в сердечнике токамака: он образует первичную цепь трансформатора, из которых тор составляет вторичную цепь;
ток в первичной обмотке быстро снижается, и это создает электродвижущую силу. Нейтральные атомы ионизируются, создается разряд с электронами, которые становятся все более многочисленными из-за воздействия электронов и нейтральных атомов.
газ больше не нейтрален, но стал плазмой: в этот момент электрический ток, благодаря эффекту Джоуля, нагревает плазму до очень высоких температур (несколько миллионов градусов).
Если газ, введенный в Токамак, представляет собой смесь дейтерия и трития, то можно изучить реакции термоядерного синтеза плазмы, воссоздав тем или иным образом окружающую среду внутри звезд. Надежда состоит в том, чтобы добиться воспламенения плазмы, феномена, который будет самоподдерживаться для извлечения энергии из ядерного синтеза, энергии, которая не оставляет радиоактивных отходов и не подвержена взрывам или утечкам радиации, и в этом смысле полностью “чистая” энергия. Работа в условиях воспламенения (т. Е. В рабочем состоянии, когда мощность одних только ограниченных заряженных частиц способна выдержать потери проводимости, конвекции и тормозного излучения), хотя это представляется выгодным с энергетической точки зрения, поскольку нет необходимости подавать какую-либо внешнюю мощность нагрева для Стабилизация термоядерной плазмы неудобна с точки зрения управления реактором, поскольку она будет зависеть исключительно от динамики (турбулентной и стохастической) плазмы. Поэтому, как правило, преимущества условия зажигания приносятся в жертву, все же обеспечивая часть тепловой мощности извне (вспомогательную мощность) для управления плазмой.
Tokamak, cámara magnética toroidal, reactor de fusión nuclear
Un tokamak (acrónimo ruso para “cámara magnética toroidal”) es una máquina toroidal (en forma de rosquilla) en la que un gas (generalmente hidrógeno) caliente y enrarecido (en estado de plasma) se mantiene cohesivo y alejado de las paredes internas gracias a un campo magnético creado por electroimanes fuera de la cámara. En condiciones apropiadas, se ha demostrado que es posible crear las condiciones para una fusión termonuclear controlada dentro de él, a fin de extraer la energía térmica producida y producir electricidad. Recientemente [¿cuándo?] Se han logrado excelentes resultados con el JET, y se esperan nuevos resultados desde la entrada en funcionamiento de ITER. Al requerir una enorme cantidad de energía para operar los electroimanes de confinamiento y los sistemas de reactores auxiliares, queda por demostrar la capacidad de la planta para producir más electricidad de la que consume.
La configuración magnética conocida como ‘tokamak’ es el resultado de una investigación realizada en 1950 por los científicos rusos Andrei Sakharov e Igor Tamm, aunque el nombre se remonta a 1957. En octubre de 1950 completaron las primeras evaluaciones de los parámetros necesarios para un reactor de fusión nuclear : Igor Kurčatov los apoyó cuando, en 1951, Stalin decidió comenzar los estudios sobre fusión nuclear en la Unión Soviética. La idea básica del Tokamak era, de hecho, confinar un gas a alta temperatura, completamente ionizado (en estado de plasma), con campos electromagnéticos, para obtener energía de la fusión nuclear controlada.
En Occidente esta configuración era desconocida, ya que la investigación de fusión se mantuvo en secreto: en el mismo período, en los Estados Unidos, Lyman Spitzer, en los laboratorios de Princeton, Nueva Jersey, estudió la configuración conocida como stellarator. Fue solo en 1955 que Estados Unidos descubrió la existencia del Tokamak en la Conferencia Internacional sobre el Uso Pacífico de la Energía Atómica en Ginebra, y solo en la Segunda Conferencia de Ginebra (1958) se conocieron detalles sobre cómo construir una máquina. basado en el principio Tokamak.
En 1968, en la tercera Conferencia Internacional del OIEA (Uso y Control de Plasma y Fusión Nuclear) en Novosibirsk, científicos rusos anunciaron que habían alcanzado una temperatura de electrones de más de 1 000 eV en un tokamak (1 electrón voltios equivale a 11 605 kelvin ) Esto derrotó a los científicos británicos y estadounidenses, que estaban lejos de lograr tales beneficios. Permanecieron sospechosos hasta que las pruebas se llevaron a cabo con el láser, confirmando la temperatura realmente alcanzada por los rusos.
Dado que estos rendimientos fueron superiores a los obtenidos hasta entonces, los científicos continuaron las pruebas de fusión utilizando el tokamak, incluso si las configuraciones alternativas (como el stellarator) siguen siendo objeto de estudio. De hecho, el Tokamak se considera una de las formas más prometedoras para generar energía a través de la fusión nuclear: algunos de los experimentos de fusión más grandes, como el JET, FTU en Frascati y ASDEX en Europa, JT-60 en Japón, TFTR, DIII- D y Alcator C-mod en los EE. UU. Son Tokamaks. Finalmente, un FGFFGF es también el ambicioso proyecto del reactor proto-nuclear de fusión ITER, cuya construcción (en Cadarache, Francia) fue aprobada el 21 de noviembre de 2006.
La mezcla de gases presente en el tokamak generalmente está compuesta por dos isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. La mezcla de gas de plasma está completamente ionizada y, por lo tanto, es controlable, explotando la fuerza de Lorentz, a través de campos electromagnéticos externos adecuados.
Los campos magnéticos son de tres tipos: campos toroidales y verticales inducidos externamente y campo poloidal generado por el propio plasma. El primero, generado por medio de bobinas toroidales, permite generar un campo directo alrededor del eje de simetría del toro que restringe el flujo de las partículas cargadas en esa dirección. El segundo, generado por medio de bobinas, permite el control de la posición del plasma dentro del toro. El tercero asegura el equilibrio del plasma.
El plasma para alcanzar las condiciones de fusión termonuclear debe satisfacer condiciones particulares expresadas en detalle por el criterio de Lawson (incluso si es más apropiado, en el dimensionamiento de los tokamaks, utilizar el criterio de ignición). Para alcanzar estas condiciones, un factor importante es la temperatura del plasma, debido a la elevación de la cual se transmite energía de plasma muy alta a través de diversas técnicas, entre las cuales se mencionan: calentamiento óhmico, la introducción de partículas de alta energía, así como la irradiación de campos electromagnéticos en la frecuencia de resonancia por medio de antenas de radiofrecuencia (RF).
En un tokamak, se crea un vacío inicial presionando las bombas de vacío para crear un vacío alto o profundo. La corriente de plasma en el recipiente toroidal se enciende tres veces:
la corriente se introduce en las bobinas de campo toroidales;
luego, se introduce una cantidad muy pequeña de gas (generalmente hidrógeno o sus isótopos) cuyas propiedades queremos estudiar.
Se introduce una corriente en el solenoide central, que ocupa el orificio central del toro (ver figura al costado), creando un flujo en el núcleo del Tokamak: constituye el circuito primario de un transformador, del cual el toro constituye el circuito secundario;
La corriente en el primario disminuye rápidamente, y esto crea una fuerza electromotriz. Los átomos neutros se ionizan, se crea una descarga con electrones que son cada vez más numerosos debido al impacto de los electrones y los átomos neutros.
el gas ya no es neutro, sino que se ha convertido en plasma: en este punto, la corriente eléctrica, debido al efecto Joule, calienta el plasma a temperaturas muy altas (unos pocos millones de grados).
Si el gas introducido en el Tokamak es una mezcla de deuterio y tritio, uno puede estudiar las reacciones de fusión termonuclear de los plasmas recreando de alguna manera el ambiente dentro de las estrellas. La esperanza es obtener la ignición del plasma, un fenómeno que podría sostenerse por sí mismo, con el fin de extraer energía de la fusión nuclear, una energía que no deja residuos radiactivos ni es susceptible de explosiones o fugas de radiación y en este sentido es un energía completamente “limpia”. Trabajar en condiciones de ignición (es decir, la condición operativa en la que el poder de las partículas cargadas confinadas por sí solas es capaz de sostener las pérdidas de conducción, convección y Bremsstrahlung) aunque parece ventajoso desde el punto de vista energético, ya que no es necesario suministrar ninguna El poder de calentamiento externo para estabilizar el plasma de fusión es inconveniente desde el punto de vista del control del reactor, ya que dependería exclusivamente de la dinámica (turbulenta y estocástica) del plasma. Normalmente, por lo tanto, se sacrifican las ventajas de la condición de ignición, proporcionando aún una parte de la potencia de calentamiento externa (potencia auxiliar) para controlar el plasma.
