Zasadę działania toroidalnej pułapki magnetycznej ilustruje poniższy rysunek:
W dzisiejszych tokamakach plazma jest wytwarzana poza pierścieniem toroidalnym, nie jak w podpisie do rysunku.
Plazma krążąca w tak uproszczonym, historycznie najstarszym modelu tokamaka wykazuje ogromne niestabilności, dryfując ku ściankom komory toroidalnej.
W kolejnych modelach konfiguracja pola magnetycznego jest coraz bardziej złożona:
Linie wypadkowego pola magnetycznego nie są już toroidalne ale skręcone śrubowo, co powoduje stabilizację strumienia plazmy.
Na kolejnym schemacie, przedstawiającym w zarysie kszłt reaktora ITER:
zwodniczo pominięto podstawowe uzwojenia magnetyczne, za to są zaznaczone jako "magnesy" dodatkowe cewki stabilizujące. Takie cewki w reaktorze JET umożliwiają regulowanie kształtu strumienia plazmy.
Bardzo dokładna kontrola strumienia plazmy ma znaczenie z wielu powodów:
- uzyskanie dużego prądu plazmy, co ma wpływ na temperaturę,
- uzyskanie separacji od ścianek a więc ma to wpływ na czas reakcji i utrzymanie zarówno temperatury jak i gęstości plazmy,
- kierowanie produktów reakcji i cząstek wypadających poza kontrolowany strumień w pożądane miejsce.
Destabilizacja i zetknięcie plazmy ze ściankami komory toroidalnej nie powoduje katastrofalnych skutków. Przede wszystkim plazma ulega natychmiastowemu schłodzeniu. Chociaż ma bardzo wysoką temperaturę, to całkowita masa chmury plazmowej podczas eksperymentu JET jest rzędu 1/10 g, dlatego nie grozi stopienie ścianek czy wypalenie dziury. Następuje jednak miejscowe erodowanie wykładziny komory, mogą powstawać promieniotwórcze produkty reakcji jądrowych.
Nie oznacza to jednak, że nie występują olbrzymie naprężenia. Incydentalne rozogniskowanie strumienia plazmy powoduje powstanie w ściankach komory olbrzymich prądów, które generują siły rzędu kilkuset ton. Podczas jednego z takich zdarzeń cały ogromnej masy reaktor JET podskoczył o ponad centymetr! Projektanci muszą uwzględnić takie zdarzenia, dlatego konstrukcja tokamaków jest tak masywna i dlatego sterowanie urządzeniem podczas eksperymentów odbywa się zdalnie, ze sterowni zlokalizowanej w odrębny, budynku.
Dla skutecznego zainicjowania i podtrzymania reakcji syntezy konieczne jest uzyskanie trzech parametrów:
- temperatury (żeby energia termiczna jąder wodoru była wystarczająca dla pokonania odpychania elektrostatycznego),
- gęstości (żeby jądra były odpowiednio blisko siebie, wtedy zderzenia nie będą miały miejsca zbyt rzadko),
- czasu (żeby reakcja zdążyła nastąpić).
Niestabilność plazmy ogranicza czas reakcji. Główne metody zwalczania niestabilności to
- odpowiednie kształtowanie pola magnetycznego
- regulowanie kształtu pola, za pomocą diagnostyki plazmy i niezwykle szybko działających sprzężeń zwrotnych, modyfikujących pola magnetyczne by przeciwdziałać wykrytym niestabilnościom.
Kształtowanie pola statycznego, co pozwala uzyskać strumień plazmy o pewnych cechach samoogniskowania, prowadzi do bardzo skomplikowanych konstrukcji magnesów i komór próżniowych, które już nie są toroidalne ale mogą mieć kształt wrzecionowo poskręcany -> STELLARATOR.
Animowany model pokazujący działanie pól magnetycznych tokamaka można znaleźć tutaj:
(chodzi o animowany schemat na dole strony)
http://www.ccfe.ac.uk/Tokamak.aspxWłączenie magnesów o prostokątnych rdzeniach (lewy przycisk) powoduje indukowanie przepływu prądu przez plazmę w komorze toroidalnej, tak jakby strumień plazmy stanowił wtórne uzwojenie transformatora. Przycisk po prawej stronie włącza cewki toroidalne, które powodują ogniskowanie strumienia plazmy.
Proponuję na razie nie uruchamiać interaktywnego modelu reaktora MAST, jeszcze o tym urządzeniu nie wspominałem, należy ono do trochę innej klasy tokamaków.W następnym poście spróbuję skupić się nad metodami podgrzewania plazmy.