Енергията е в основата на съвременната цивилизация и търсенето на

Енергията на звездите в ръцете на човечеството: Какво е токамак?

Енергията е в основата на актуалната цивилизация и търсенето на нови способи за нейното приемане е една от главните задания на науката. Сред най-амбициозните планове е концепцията за следен термоядрен синтез, който би могъл да се трансформира в изобилен източник на запаси. В центъра на тези проучвания е токамакът – устройство, което може да задържа плазма и да пресъздава процесите, протичащи навътре в звездите.

За да разберете по какъв начин работи токамакът, би трябвало да разберете неговата структура, механизмите, посредством които плазмата взаимодейства с магнитното поле и провокациите, които се пробва да преодолее.

Плазмата и нейните характерности

Четвъртото положение на материята (плазмата) поражда при извънредно високи температури, когато атомите губят електроните си, трансформирайки се в комбинация от заредени частици. Във вътрешността на звездите това положение се поддържа от гравитацията, която основава необикновено високо налягане и подкрепя термоядрените реакции. На Земята учените употребяват разнообразни способи за нагряване, с цел да пресъздадат тези условия, в това число мощни електрически токове, лазери и радиочестотно лъчение.

Едно от главните провокации при работа с плазма е нейният контакт със заобикалящите я повърхности, което води до бързо изстудяване и загуба на сила. За да се избегне това, в токамаците се употребява технология за магнитно ограничение. Създадените магнитни полета образуват затворено пространство под формата на тор (геврек), където частиците са в изолирано положение. Този метод разрешава да се запази силата и да се основат постоянни условия за по-нататъшни опити.

Как работи токамакът?

Токамакът употребява два съществени физични правилото: придвижване на заредени частици в магнитно поле и транспорт на сила посредством електромагнитни взаимоотношения. За да разберете по какъв начин работи всичко това, дано преминем през процеса малко по малко:

Създаване на магнитно поле: Около „ геврека “ се слагат свръхпроводими намотки и през тях се пропуща електрически ток. Това основава мощно магнитно поле, което задържа плазмата вътре. По продължение на тора в самата плазма също се основава кръгообразен ток, който усилва магнитното поле и стабилизира ситуацията му. Нагряване на плазмата: За да се реализира термоядрен синтез, температурата на плазмата би трябвало да надвиши 100 милиона градуса по Целзий – това е десетки пъти по-висока температура от тази в центъра на Слънцето. Това нагряване се реализира посредством няколко метода: Индукционно нагряване: Електрическият ток в плазмата я кара да се съпротивлява, което води до обособяване на топлота. Радиочестотно нагряване: Върху плазмата се ползват високочестотни електромагнитни талази, които ѝ предават сила. Впръскване на неутрални частици: Високоенергийни атоми се впръскват с висока скорост в плазмата, където те се йонизират и предават кинетична сила. Стабилизиране на плазмата: Заредените частици се движат по спираловидни траектории по продължение на линиите на магнитното поле. Съвременните токамаци употребяват комплицирани системи за надзор на магнитното поле, които реагират на най-малките промени и ги поправят в действително време. Например, в ITER се употребяват спомагателни коригиращи намотки, които предотвратяват неустойчивостта. Иницииране на термоядрен синтез: Когато температурата и плътността на плазмата доближат подобаващите стойности, ядрата на атомите се доближават задоволително близо, с цел да преодолеят Кулоновото отбиване и да се слеят. Резултатът от термоядрения синтез са нови ядра, неутрони и голямо количество освободена сила.

Защо термоядреният синтез е толкоз сложен за реализиране?

Термоядреният синтез изисква решаването на комплицирани физични и инженерни проблеми:

Постигане на високи температури: Плазмата би трябвало да се нагрее до милиони градуси, за което са нужни големи количества сила. Задържане на плазмата: Най-малкото нарушаване на магнитното поле може да докара до загуба на непоклатимост. Материали за стените: Стените на токамака би трябвало да устоят освен на рисковите температури, само че и на мощното влияние на неутроните, които могат да разрушат материала на атомно равнище. Енергийна успеваемост: Досега токамаците употребяват повече сила, в сравнение с създават. Например, даже най-успешният опит в NIF сподели позитивен баланс единствено на стадия на термоядрен синтез, само че общото ползване на сила надалеч надвиши добива.

Енергийна успеваемост на токамаците

За да бъде потребна силата от термоядрен синтез, отделената топлота би трябвало да се употребява дейно. Един от методите е неутронната сила да се преобразува в топлота за въртене на турбини. Този развой обаче е съпроводен с огромни загуби. Например, актуалните парни турбини реализират успеваемост от към 33%, а при токамаците тази стойност може да бъде още по-ниска заради естеството на топлообмена.

Освен това материалите за топлообменниците би трябвало да устоят на високи радиационни натоварвания, което също усложнява проектирането им. Дори в случай че може да се реализира позитивен енергиен баланс, остава предизвикването да се усъвършенстват процесите на изстудяване и превръщане на силата.

Настоящи достижения и провокации

Най-обещаващият план през днешния ден е ITER – интернационален пробен реактор, който се построява във Франция. Целта му е да показва опцията за резистентен термоядрен синтез. ITER ще употребява като гориво деутерий и тритий, което обезпечава висок рандеман на сила. Проектът обаче е изправен пред редица провокации:

ITER е един от най-мащабните научни планове и построяването му лишава десетилетия. Прогнозната стойност на плана надвишава 20 милиарда $, което го прави един от най-скъпите научни опити. Очаква се първите опити да стартират едвам през 2030 година.

Перспективи пред токамаците

Токамаците като ITER са единствено първата стъпка по пътя към комерсиалните реактори за термоядрен синтез. Настоящите планове са изправени пред доста провокации, в това число високи разноски за създаване и компликации при разширението на технологията.

Въпреки това капацитетът на токамаците е голям. Те могат да обезпечат непрекъснато електрозахранване, за разлика от слънчевите и вятърните съоръжения, които зависят от метеорологичните условия. В дълготраен проект те биха могли да бъдат идеално решение за райони с тежки климатични условия или за потребление в космоса.