Տոկամակ

Տոկամակը (ռուս.՝ токамак тороидальная камера в магнитных катушках, թարգմանաբար՝ տորաձև միջարկղ մագնիսական կոճերում) մեքենա է, որ կարկանդակաձև (տորсտաձև) մագնիսական դաշտ է ստեղծում պլազման սահմանափակելու համար։ Այն մագնիսական սահմանափակման քանի գործիքներից մեկն է և ամենահետազոտված թեկնածուներից մեկը վարած ջերմամիջուկային ֆուզիոնի ուժ արտադրելու համար։
Տոկամակը նախագծել են խորհրդային գիտնականներ Իգոր Եվգենևիչ Տամը և Անդրեյ Սախարովը 1950-ականներին(ովքեր ներդաշնակվել էին Օլեգ Լավրենտիևի բնագիր մտքով):
Տոկամակը հատկանշվում է պտտվող (ազիմուտական) համաչափությամբ և պլազմածին էլեկտրական հոսանքների օգտագործմամբ՝ կայուն հավասարակշռության համար մագնիսական դաշտի պարուրաձև բաղադրիչը առաջացնելու համար։ Սա կարելի է հակադրել մեկ այլ կարկանդակաձև մագնիսական սահմանափակման գործիքի հետ՝ աստղարարի (ստելարատորի) հետ, որը մի դիսկրիտ (օր.՝ հինգ-ծալ) պտտողական համաչափություն ունի, և որտեղ բոլոր սահմանափակող մագնիսական դաշտերը արտաքին կոճերով են առաջացվում, պլազմայի միջից չնչին էլեկտրական հոսանք թուլատրելով։


== Պատմություն ==

Թեև միջուկային ֆուզիոնի հետազոտությունը սկսվեց Երկրորդ Համաշխարհային Պատերազմից անմիջապես հետո, ծրագրերը նախապես դասակարգված (գաղտնի) էին։ Մինչ 1955 թվականի ՄԱԿ-ի Ատոմային Էներգետիկայի Խաղաղ Օգտագործությունների Միջազգային Ժողովը Ժենևայում տևեց, որ այս ծրագրերը ապադասակարգվեն և միջազգային գիտական համագործակցությունը տեղի ունենա։
Տոկամակների փորձնական հետազոտությունը սկսվեց 1956 թվականին Մոսկվայի Կուրչատով Ինստիտուտում, խորհրդային մի խումբ գիտնականների միջոցով, Լև Արցիմովիչի առաջնորդությամբ։ Խումբը կառուցեց առաջին տոկամակները, նրանցից ամենահաջողը լինելով T-3 և իր ավելի մեծ տարբերակ T-4-ը։ T-4-ը ստուգվեց 1968 թվականում Նովոսիբիրսկում, առաջին անգամվա համար գրեթե-կայուն ջերմամիջուկային ֆուզիոնի փոխազդեցություն ցուցաբերելով։
1968 թվականին, երրորդ Ատոմային Էներգիայի Միջազգային Գործակալության Նովոսիբիրսկում անց կացված Պլազմայի Ֆիզիկայի և Կառավարված Միջուկային Ֆուզիոնի Հետազոտության Միջազգային Ժողովում, Խորհրդային գիտնականները հայտարարեցին թե 1000 էՎ-ից բարձր էլեկտրոնային ջերմաստիճաններ էին ձեռք բերել տոկոմակում։ Սա ապշեցրեց անգլիացի և ամերիկացի գիտնականներին, որոնք այդ ստանդարտից շատ հեռու էին։ Նրանք մնացին կասկածով, մինչև քանի տարի հետո սփռող լազերով կատարված փորձերը հաստատեցին սկզբնական ջերմաստիճանի չափումները։
Քանի որ տոկոմակի գործողությունը իրենց առկա սարքերին գերազանցում էր, ֆուզիոնի հետազոտական ծրագրերը արագորեն փոխեցին տոկոմակի օգտագործման։ Տոկոմակը մնում է ամենախոստումնալից սարքը միջուկային ֆուզիոնից զուտ ուժ ստանալու համար, որից և օգտագործվում է ԻԹԵՐ սարքի կառուցման մեջ։


== Կարկանդակաձև նախագծում ==

Ֆուզիոնի պլազմայի միջի իոնները և էլեկտրոննետը շատ բարձր ջերմաստիճաններում են գտնվում, և համապատասխան բարձր արագություն ունեն։ Ֆուզիոնի ընթացքը պահպանելու համար, տաք պլազմայի մասնիկները պիտի սահմանափակվեն, թե չէ պլազման արագորեն կսառի։ Մագնիսական սահմանափակման սարքերը օգտագործում են այն փաստը, որ մագնիսական դաշտում լիցքով մասնիկները Լորենցի ուժ են զգում և հետևում պարուրաձև արահետներ դաշտի գծերի շուրջ։
Նախնական ֆուզիոնի հետազոտման սարքերը Z-կճմթոցի տարատեսակներ էին և օգտվում էին էլեկտրական հոսանքից մի պոլոյդաձև մագնիսական դաշտ ստեղծելու համար, որը պլազմային պահում էր երկու կետերի միջև գծակերպ առանցքի ուղղությամբ։ Հետազոտողները հայտնաբերեցին թե կարկանդակաձև կերպում սահմանափակված պլազմաները, որտեղ մագնիսական դաշտի գծերը կարկանդակի առանցքի զուգահեռ են, արագ անկայունության ենթակա են և արագորեն կորցնում են սահմանափակությունը։ Տոկամակը և նմանատիպ աստղարար (ստելարատոր) նախագծերը կարկանդակաձ դաշտի հետ միավորում են նաև պոլոյդաձև մի դաշտ, պլազմային կայունացնելու համար. Կարկանդակաձև-պոլոյդաձև մագնիսական դաշտում, մասնիկները կարկանդակային առանցքի ուղղությամբ պարուրաձև պտտվում են։


== Պլազմայի տաքացնելը ==
Մի աշխատող ֆուզիոնի ռեակտորում, արտադրված էնեգիայի մի մասը ծախսվելու է պլազմայի ջերմաստիճանը պահապնելու համար՝ թարմ դեյտերիում և տրիտիումը ներս ընթանալիս։ Սակայն, ռեակտորի սկսնակետին, կամ սկզբում և կամ ժամանակավոր կանգառումից հետո, պլազման պիտի մինչ 10 կէՎ-ից բարձր գործողական ջերմաստիճան տաքացվի (100 միլիոն աստիճան ցելսիուսից բարձր)։ Ներկա տոկամակների (և այլ) մագնիսական ֆուզիոնի փորձերում, արտադրված ֆուզիոնի էներգիան բավական չէ պլազմայի ջերմաստիճանը պահպանելու համար։


=== Օհմական տաքացում ===
Քանի որ պլազման էլեկտրական հաղորդիչ է, կարելի է նրան տաքացնել իր միջից հոսանք առաջացնելով. փաստորեն, այն առաջացրած հոսանքը, որ տաքացնում է պլազմային ընդհանրապես պոլոյդաձև դաշտի մեծ մասն էլ առաջացնում։ Հոսանքն առաջացվում է մի էլեկլտրամագնիսական փաթույթի միջից հոսանքը դանդաղորեն բարձրացնելով, որը կապված է պլազմայի կարկանդակի հետ՝ պլազման այստեղ կարելի է դիտել որպես հոսանքափոխարկչի երկրորդական փաթույթը։ Սա հատկապես մի պուլստեցված ընթացք է, որովհետև առաջային փաթույթի հոսանքի վրա սահման կա (նաև երկար պուլսերի դեպքում կա այլ սահմաններ)։ Ուրեմն տոկամակները պետք է կամ կարճ ժամանակով աշխատեն, կամ այլ ձևերի վրա հենվեն տաքանալու և հոսանքի վարելու համար։ Առաջացված հոսանքի միջոցով պատճառած տաքությունը կոչվում է օհմական (կամ դիմադրողական) տաքություն. դա նույն տեսակ տաքացումն է, որ էլեկտրական լամպի կամ էլեկտրական ջեռուցիչում է կատարվում։ Կազմված տաքությունը կախված է պլազմայի դիմադրության և հոսանքի վրա։ Իսկ երբ տաքացված պլազմայի ջերմաստիճանը բարձրանում է, իր դիմադրությունը իջնում է, և օհմական տաքացման արդյունավետությունը նաև իջնում է։ Թվում է թե ամենաբարձր պլազմայի ջերմաստիճանը, որ կարելի է օհմական տաքացումով հասնել տոկամակում՝ 20-30 միլիոն աստիճան ցելսիուս է։ Ավելի բարձր ջերմաստիճանների համար, այլ տաքացման ձևեր պետք է օգտագործվեն։


=== Չեզոք ճառագայթի ներարկում ===
Չեզոք ճառագայթի ներարկումը պարունակում է բարձր էներգիայի (արագորեն շարժվող) ատոմները օհմապես-տաքացրած, մագնիսապես-սահմանափակված պլազմայի մեջ սրսկելը։ Պլազմայում անցնելիս ատոմները իոնացվում են և մագնիսական դաշտով բռնվում։ Հետո բարձր էներգիայով իոնները իրենց էներգիայի մի մասը փոխանցում են պլազմայի մասնիկներին շարունակ բախումներում՝ բարձրացնելով պլազմայի ջերմաստիճանը։


=== Մագնիսական սեղմում ===
Մի գազ կարող է միանգամայն սեղմումից տաքանալ։ Նույնպես, պլազմայի ջերմաստիճանը ավելանում է եթե սահմանափակող մագնիսական դաշտի ավելացումով այն արագորեն սեղմվի։ Տոկամակի համակարգում սա հասարակապես նվաճվում է պլազմային ավելի բարձր մագնիսական դաշտ (այսինքն՝ շառավիղորեն ներս) հրելով։ Քանի որ պլազմայի սեղմումը նաև իոններն է իրար մոտեցնում, այս ընթացքը նպաստում է նաև ֆուզիոնի ռեակտորի համար պահանջված խտությունը ձեռք բերելով։


=== Ռադիոհաճախականական տաքացում ===
Բարձր հաճախականության էլեկտրոմագնիսական ալիքները կարկադակից դուրս տատանվողների (oscillator) (հաճախ գիրոտրոնների կամ կլիստրոնների) միջոցով են ստեղծվում։ Եթե ալիքները ճիշտ հաճախականություն (կամ ալիքի երկարություն) և բևեռականություն ունենան, իրենց էներգիայն կարող է պլազմայի միջի մասնիկներին փոխանցվել, որոնք իրենց հերթին բախվում են այլ պլազմայի մասնիկների հետ, և այսպիսով պլազմայի բոլոր ծավալի ջերմաստիճանը բարձրացնում։ Տարբեր տեխնիկաներ գոյություն ունեն ինչպես էլեկտրոն ցիկլոտրոն ռեզոնանս տաքացումը (ECRH) և իոն ցիկլոտրոն ռեզոնանս տաքացումը (ICRH):


== Տոկամակի սառեցում ==
Մի տոկամակ պարունակում է փոխազդող պլազմա, որը գալարվում է ռեակտորի շուրջ։ Քանի որ բարձր քանակությամբ ռեակցիաներ են պետք ամեն վայրկյանում՝ տոկամակի միջի ռեակցիան պահպանելու համար, արագորեն բարձր քանակությամբ բարձր էներգիայով նեյտրոններ են ազատվում։ Այս նեյտրոններն էլ կարկանդակային մագնիսներով պլազմայի հոսանքում չեն պահվում և շարունակում են իրենց ճանապարհը մինչև տոկամակի ներքին պատի միջոցով կանգնեցվում են։ Սա տոկամակ ռեակտորնեի մեծ շահերից է, քանի որ սրանք շատ բարձր էներգիայով նեյտրոններ են և առաջացնում են մի հասարակ ճանապարհ պլազմայի հոսանքից տաքություն քաղելու համար։ Տոկամակի ներքին պատերը պիտի սառեցվեն, քանի որ այս նեյտրոնները բավականին բարձր ջերմաստիճանի են ռեակտորի ներքին պատերը հալելու համար։ Մի կրիոգենիկ համակարգ է օգտագործվում մագնիսները և ռեակտորի ներքին պատերը սառեցնելու համար։ Շատ անգամ հեղուկ հելիում և հեղուկ ազոտ են օգտագործվում որպես սառեցնող։ Նաև կերամիկա պնակներ են հատկապես նախագծվել տաք ջերմաստիճաններին դիմանալու համար, որոնք դրվում են ռեակտորի ներքին պատի վրա՝ մագնիսներին և ռեակտորին պաշտպանելու համար։


== Աղբյուրներ ==