Магнитното задържане е принцип, който се използва при разработването на термоядрения реактор през 1946 г. в Центъра за ядрена енергия на Великобритания. Целта е по експериментален начин да се произвежда енергия от реакции на ядрен синтез. Магнитното задържане намира принципно приложение и в други реактори като например ITER. Той се прилага в устройствата, които задържат плазменото гориво и го поддържат горещо. Основното деление е на магнитозадържащи () и инерционнозадържащи ().
Физика на процеса Експериментите с магнитно задържане на плазмата основно се делят на тороидални и такива с открити магнитни полета. Основното вярване е, че е по-лесно да се задържи плазмата в направление перпендикулярно на полето, отколкото паралелно на него. Паралелното задържане може да се осъществи или чрез огъване на силовите линии на полето в кръгове сами около себе си, по-просто казано – тороидална повърхнина, или чрез свиване на целия пакет силови линии от двете страни, което кара някои частици да се отразяват поради „огледалния ефект“ ().
Тороидалните модели могат да се разделят според това дали самата машина е с тороидална форма, например твърда сърцевина в центъра на плазмата. Алтернативата е да се освободим от твърдата сърцевина и да използваме тока в плазмата, за да създадем тороидално поле.
Огледалните машини имат предимство с по-простата си форма и по-големия потенциал за директно преобразуване на енергията в електричество. Те основно изискват по-силно магнитно поле в сравнение с тороидалните машини, но най-големия проблем се оказва задържането на плазмата. За постигането на добро задържане е необходимо повече частици да се движат перпендикулярно на полето, отколкото паралелно на него. При такова скоростно разпределение не е изпълнен закона на Максуел-Болцман и това затруднява експлоатацията и допълнително оскъпява електроенергията.
Предимството на огледалата е в простата конструкция на машината, което намира приложение за компактните машини, но опростяването на магнитната система ограничава възможностите за контрол. Идеята на компактните тороиди не е добре изучена в сравнение с тороидалните машини. Това не означава непременно, че те не могат да работят по-добре от основните концепции, но несигурността при тяхната работа е много по-голяма.
До известна степен в самостоятелен клас може да обособим Z-pinch, при който процес линиите на полето образуват окръжности. Това е една от първите идеи, която обаче остава без успех. Освен това, никога не е звучала убедително концепцията да се превърне една импулсна машина, която изисква електроди в действителен реактор.
Mагнитно огледало Магнитното огледало () е сечение на магнитното поле, където полето променя силата си при преместване по направление на силовите линии. Огледалният ефект произлиза от това, че заредените частици отскачат при достигане на зона със силно магнитно поле.
Tороидални машини Тороидалните машини могат да бъдат осово-симетрични, като токамака и RFP, или асиметрични, като стеларатор. Отказът от тороидална симетрия може да даде допълнителна възможност за по-добро задържане, но високата цена е голяма пречка за инженерството, теорията и експерименталната диагностика. Стеларатор нормално има периодичност, например петорно ротационна симетрия. RFP, въпреки някои теоретични предимства, като ниско магнитно поле в намотките, не се е доказал като много успешен.
Токамак
Експериментите базирани на токамак-концепцията могат да се разделят на две основни групи. При едните модели се използва класическия дизайн на токамака и затова те често са наричани „конвенционални токамаци“. Втората група използва модифицирана тороидална форма, която има почти сферичен вид. Този тип машини са известни като „сферични токамаци“.
Дизайн на токамака Двата основни елемента, характеризиращи конструкцията на машината са: Бланкет и Дивертор.
Бланкетът е елемент, в който енергийно активните неутрони, произведени от ядрената реакция в горящата плазма, се забавят и отдават енергията си под формата на топлина и се абсорбират от литиеви атоми за производство на междинното гориво-тритий. Топлината се отнема от бланкета, чрез поток от охлаждащ флуид, подава се към топлообменници, турбини и турбогенератори и се използва за производство на електричество по конвенционалния начин. Следователно за преобразуването на топлинната енергия в електричество се използва термичен цикъл на Карно. Използването на термичен цикъл означава, че ефективността на преобразуването е ограничена от коефициента на Карно и при отсъствие на термоустойчиви материали е около 60%. Неутронният поток отслабва в бланкета и затова бланкета се изработва с дебелина от 0,6 – 0,8 м (за пълното поглъщане на енергията на неутроните е необходима дебелина на материала от 0,5 м).
От вътрешната страна на бланкета има един елемент, подложен на най-тежките условия в реактора. Наречен е „първата стена“. Първата стена на бланкета на термоядрения реактор отделя бланкета от зоната на реакцията. Тя е стена на вакуумната камера, подложена на интензивно облъчване от неутроните (при това тя е длъжна да пропуска неутроните с енергия 14,1КеV) и работи в условия на висока температура и ерозийно въздействие на плазмата. Материалите предназначени за изработване на първата стена, трябва да осигуряват висока надеждност и дълготрайна работоспособност (тъй като смяната и е свързана с продължително спиране на реактора и със сложни дистанционни технологии за монтаж и демонтаж в условия на висока радиоактивност). Т.е. самите материали трябва да притежават висока радиационна устойчивост, а конструкцията трябва да осигурява минимално ниво на технологични и механични напрежения с голям резерв до граничните стойности. За материали за първата стена се препоръчват неръждаеми аустенитни и феритни стомани, ванадиеви сплави.
Между бланкета и стените на вакуумната камера(vacuum vessel) се намира друга тороидална структура, щитът(the shield). Неговата задача е да спре потока от неутрони по пътя им към вакуумния кожух и други присъединени структури. Магнитното поле се създава една част от тока на плазмата, а другата част от токът през намотките, обхващащи вакуумния кожух. За да се минимизира разсейването на енергията, намотките са суперпроводящи.
Един допълнителен елемент е дивертора. Той е монтиран във вакуумната камера под плазмата и служи за отвеждането на потока от горещи газове(хелий и неизгорени деутерий и тритий), изтощени от плазмата.
Конвенционални токамаци Токамакът е машина, която използва магнитни полета да задържи плазмата във формата на тороид, като плазмата се намира в тороидално оформена вакуумна камера. За постигането на устойчиво състояние на плазмата се изисква магнитните силови линии да се движат спираловидно около тороида. Такова спираловидно поле може да се създаде като се използват две полета. Тороидално, чийто силови линии обикалят в кръг и полоидално-силовите линии се движат в кръг, но в равнина перпендикулярна на равнината на тороидалното поле. В токамака тороидалното поле се създава от магнити, обграждащи тороида, а полоидалното е резултат на протичащия в плазмата ток. Този ток е индуктиран от втори набор електромагнити.
Токамакът е един от видовете магнитозадържащи устройства, които да устоят на свръхвисоката температура на плазмата.
По принцип на работа, токамаците са импулсни машини-по време на всеки импулс се създава плазма (начална фаза), после нейния ток се повишава, като се установява около една константна стойност, наречен „flat-top“ ток, който се поддържа по време на основната фаза от разряда, а най-накрая тока се понижава и плазмата се терминира. Времевите характеристики на тока на полоидалната и тороидалната намотка са основен параметър, който гарантира протичането на процеса по описания сценарий.
Има няколко режима на задържане за токамаците, в зависимост от параметъра време за задържане. Най-известните от тях са L-режимът, H-режимът и „supershot“. Съществува и комбинация между Н-режима и „supershot“.
При Н-режимът, енергията на плазмата се задържа за 2 и повече пъти по-дълго време отколкото при L-режима. При „supershot“ имаме плътностен профил, който е съсредоточен в центъра. По този начин, подобреното задържане е към центъра на плазмата, а не към повърхността. Комбинацията между Н и „supershot“ режима води до подсилване на задържането по повърхността на плазмата, като в същото време се запазва това в центъра.
Моделиране на тороида По време на изследванията е установено, че едно просто тороидално поле, в което магнитните силови линии обикалят в кръг около ос на симетрия, задържа плазмата по-добре отколкото система без такова. Това може да се види от индивидуалните орбити на частиците.
Токамаците са сложни системи с голям брой нестабилности, така че има много сериозни предизвикателства пред математичното моделиране и системите за управление.
Положително заредените йони и отрицателно заредените електрони в плазмата са при много висока температура и съответно се движат с големи скорости. За да се поддържа процесът е необходимо плазмата да се задържи в центъра на машината, в противен случай би се охладила много бързо. Магнитозадържащите устройства използват факта, че на заредените частици в магнитно поле действат Лоренцови сили и те следват спираловидно движещите се силови линии. Освен спираловидно движение, частиците имат и свободно топлинно движение. Чисто тороидалното (насочено по оста на тора) магнитно поле не е пространствено еднородно. То е по-силно в близост до вътрешната стена на тора и по-слабо в близост до външната му стена. Този радиален градиент на полето води до движение (дрейф) на електроните и на йоните на плазмата във вертикално направление и в крайна сметка до големи загуби на частици и до охлаждане на плазмата. Тъй като тороидалното поле е изкривено и намаляващо по сила с отдалечаване от оста на ротация, йоните и електроните се движат паралелно на оста, но в противоположни посоки. Разделянето на зарядите поражда допълнително електрично поле, което действа на отдалечаване от оста на въртене на йоните и електроните. Плазмата изглежда като флуид с формата на тороид, замразена в магнитното поле. Налягането в плазмата поражда сила, която се стреми да „издуе“ тороида. Магнитното поле извън плазмата се противопоставя на разширението.
Проблемите свързани с контрола могат да се разделят на две основни групи:електромагнитен контрол и кинетичен контрол на плазмата.
Първата категория се отнася до управлението на магнитните и електричните полета, които поддържат или променят положението на плазмата, нейната форма и ток. Както вече бе споменато, тази задача е усъвършенствана, чрез разпределяне на полоидална намотка около камерата. Приложеното към тази намотка напрежение прокарва ток, който от своя страна създава магнитно поле.
Кинетичния контрол на плазмата се отнася до контролиране снабдяването с частици и загряването, за да се осигури необходимата плътност на плазмата, температура, налягане и плътността на тока.
В крайна сметка, двата вида контрол трябва да са добре координирани, за да се премахнат или овладеят магнитохидродинамичните(MHD) нестабилности. Оптимизирането на формата на плазмата и вътрешния профил може да редуцира влиянието на тези нестабилности или в някои случаи да ги предотврати.
Магнитното управление на плазмата се извършва, чрез регулиране тока на полоидалните намотки; тези токове генерират магнитно поле, което взаимодейства с плазмата, модифицира нейния ток(plasma current control), положение и форма(plasma shape control). Тока на полоидалната намотка се състои от две съставки: пре-програмирана номинална стойност, която е зададена предварително според желаните параметри на плазмата, за да се изпълни описания по-горе сценарий и стойност от обратна връзка, която се противопоставя на смущенията, неточностите в модела и т.н.