Проекная работа "Тороидальная камера с магнитными катушками (Токамак)"

Проект раскрывает работу и перспективы использования тороидальной камеры с магнитными катушками (Токамак).

Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?

Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.

Быстро и объективно проверять знания учащихся.

Сделать изучение нового материала максимально понятным.

Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.

Наладить дисциплину на своих уроках.

Получить возможность работать творчески.

=> ПОЛУЧИТЬ СУПЕРСПОСОБНОСТИ УЧИТЕЛЯ <=

Просмотр содержимого документа
«печатная работа»

Тороидальная камера с магнитными катушками (Токамак)

Ксензов Дмитрий Владимирович

МБОУ ДО «Подпорожский центр детского творчества»

Научный руководитель:

Каткова Ирина Афанасьевна

Солнце является самым важным источником энергии на планете и представляет собой совершенный шар, состоящий из горячей плазмы, внутри которой происходит конвекционное движение, генерирующее магнитное поле. Стремясь повторить это в лабораторных условиях, ученые доработали установку Tokamak, получив внутри неё такой же плазменный шар, удерживаемый в устойчивом состоянии с помощью магнитного поля.

Плазма, стабилизированная внутри камеры Tokamak, отдает энергию, которая может использоваться непосредственно в лаборатории или передаваться на другие объекты. Микроволны проходят сквозь верхние слои плазмы, сохраняя её горячей. Сохранение вещества в состоянии плазмы необходимо для создания среды для моделирования термоядерных реакций, подобных тем, что протекают внутри Солнца.

Ученые разных стран изобретают и исследуют различные устройства для создания, нагрева и термоизоляции плазмы¹, стремясь осуществить управляемый термоядерный синтез².

Наиболее близко к условиям, требуемым для управляемого синтеза, удалось подойти советским физикам с помощью установок, изобретенных и названных «Токамак».

Это название — сокращение русских слов: Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Действительно, Токамак — это тороидальная вакуумная камера, на которую надеты катушки, создающие сильное (несколько тесла) тороидальное магнитное поле.³ Камера с катушками ставится на железное ярмо и служит как бы вторичным витком трансформатора. При изменении тока в первичной обмотке, намотанной на ярмо, в камере возникает вихревое электрическое поле, происходит пробой и ионизация рабочего газа, заполняющего камеру, и возникает тороидальный плазменный шнур с продольным электрическим током. Этот ток нагревает плазму, а его магнитное поле вместе с полем катушек теплоизолирует плазму от стенок.

Любой виток с током, а плазменный особенно, стремится увеличить свой диаметр: противоположно направленные токи отталкиваются. Для компенсации этого отталкивания в Токамаке имеются специальные управляющие витки, создающие магнитное поле, перпендикулярное плоскости тора. Взаимодействие этого поля с током в шнуре дает радиальную силу, удерживающую плазменный виток от расширения.

Ток в витках регулируется специальной автоматической системой, следящей за положением и движением плазменного шнура.

С ростом температуры плазмы ее электрическое сопротивление не растет, как у других веществ, а падает, и при заданном токе уменьшается нагрев шнура. Увеличивать же ток в Токамаке выше некоторого предела нельзя. Если магнитное поле тока станет слишком большим по сравнению с тороидальным полем катушек, шнур начнет извиваться и выбросится на стенку. Поэтому для нагрева плазмы до температур выше градусов в Токамаке используют дополнительные методы нагрева с помощью инжекции в плазму пучков быстрых атомов (заряженные частицы не могли бы влететь в камеру поперек магнитного поля) или введения в камеру высокочастотных электромагнитных волн. Таким образом плазму в Токамаке уже удалось нагреть до нужных градусов.

Достигнутая термоизоляция плазмы в Токамаке всего в несколько раз хуже, чем требуется для термоядерного реактора, и ее можно улучшить, увеличивая размер установки. Поэтому уже сегодня ученые разных стран приступили к проектированию экспериментального термоядерного реактора — Токамака. В таком реакторе тороидальное поле будет создаваться сверхпроводящими катушками, охлаждаемыми жидким гелием, что избавляет от затрат энергии на поддержание магнитного поля. Между катушками и плазмой размещается защита от нейтронов, рождающихся в термоядерных реакциях, и бланкет (в переводе с английского это слово значит «одеяло») — слой вещества, содержащий литий. Здесь быстрые термоядерные нейтроны тормозятся, нагревая бланкет, и вступают в ядерные реакции с литием, в результате которых воспроизводится тритий, сгоревший при термоядерном синтезе и отсутствующий в природе. Через бланкет прокачивается теплоноситель, например вода, и образуется пар, который далее поступает на турбины для выработки электроэнергии.

Термоядерный реактор — сложное сооружение. Для его проектирования и строительства потребуется еще 10 — 15 лет, так что читатели этой книги как раз успеют стать строителями и испытателями первой термоядерной электростанции.

И Александр Петров, представитель российского Проектного центра ИТЭР, охотно поясняет: «Тороидальная камера с магнитными катушками!» ... Нет такого. Поэтому и придуман токамак. Его вакуумная камера в форме пустотелого «бублика» окружается сверхпроводящими электромагнитами - они создают тороидальное и полоидальное магнитные поля, которые не позволяет раскалённой плазме касаться стенок камеры. Есть ещё и центральный электромагнит - индуктор. Изменение тока в нём вызывает в плазме движение частиц, необходимое для синтеза.

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания (тороидального) магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое...

Используемая литература

Сахаров А Д Воспоминания Т. 1 (M.: Альфа - книга, 2011), Гл. 9
Сахаров А Д Физика плазмы и проблема управляемых реакций Т. 1 (Отв. ред. М А Леонтович) (М.: Изд-во АН СССР, 1958) с. 20; Sakharov A D Plasma Physics and the Problem of Controlled Thermonuclear Reactions Vol. 1 (Ed. M A Leontovich) (New York: Pergamon Press, 1961); Сахаров А Д УФН 93 564 (1967)
Мирнов С В Энергия из воды (M.: Тровант, 2008); Мирнов С В http://www.triniti.ru/Art/Mirnov1.pdf
Шафранов В Д "Первый период истории термоядерных исследований в Курчатовском институте" УФН 171 877 (2001);
Шафранов В Д Ненаучные труды (М.: РНЦ "Курчатовский институт"; Тровант, 2009)

Бондаренко Б Д "Роль О.А. Лаврентьева в постановке вопроса иинициировании исследований по управляемому термоядерному синтезу в СССР" УФН 171 886 (2001);