Τι είναι το Tokamak;

Συχνές ερωτήσεις, Φεβρουάριος 2002

Ένα tokamak είναι μια σπειροειδής συσκευή περιορισμού του πλάσματος. Το πλάσμα δεν περιορίζεται από υλικά τοιχώματα αλλά από μαγνητικά πεδία. Ο λόγος που συμβαίνει αυτός ο μαγνητικός περιορισμός είναι διπλός. Κατ' αρχάς, κανένα γνωστό υλικό δεν μπορεί να αντισταθεί στις θερμοκρασίες των εκατό εκατομμυρίων βαθμών Kelvin, που απαιτούνται για την τήξη. Δεύτερον, η συγκράτηση του πλάσματος μέσα σε ένα μαγνητικό δοχείο το μονώνει καλά, που το καθιστά έτσι ευκολότερα να θερμανθεί.

Το πρόβλημα της δημιουργίας μιας καλύτερης μαγνητικής φιάλης, έχει αποτελέσει αντικείμενο έρευνας από τη δεκαετία του '50, όταν προέκυψε αρχικά σοβαρό ενδιαφέρον για την πυρηνική τήξη. Τα μαγνητικά πεδία σε ένα tokamak παράγονται από έναν συνδυασμό ρευμάτων που ρέουν στα εξωτερικά πηνία και ρευμάτων που ρέουν μέσα στο ίδιο το πλάσμα. Η ανωτέρω εικόνα είναι ένα σχήμα του DIII-D tokamak στο General Atomics στην Καλιφόρνια.

Τα κύρια συστατικά της συσκευής βρίσκονται στην ανωτέρω εικόνα.

Το ρεύμα που οδηγείται στα σπειροειδή πηνία παράγει ένα μαγνητικό πεδίο σε σπειροειδή κατεύθυνση (που υποδεικνύεται από το πράσινο κυκλικό βέλος κάτω από τη μηχανή). Αυτές οι μαγνητικές γραμμές είναι κλειστές ομόκεντρες με το δακτύλιο του πλάσματος.

Η λειτουργία των μαγνητικών πεδίων του ωμικού σωληνοειδούς (μαγνήτες ωμικής θέρμανσης), είναι ανάλογη μ΄αυτή του πρωτεύοντος τυλίγματος ενός μετασηματιστή: επάγουν ένα ηλεκτρικό ρεύμα στο πλάσμα παράγοντας ένα αυξανόμενο πεδίο μέσα στο κέντρο της μηχανής. Αυτό το αυξανόμενο μαγνητικό πεδίο χρησιμεύει για να δημιουργήσει ένα σπειροειδές ρεύμα στο πλάσμα, το οποίο αποτελεί το δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Αυτό το επαγόμενο ρεύμα θερμαίνει το πλάσμα, κι επιπλέον δημιουργεί ένα πολοειδές μαγνητικό πεδίο, δηλαδή ένα πεδίο του οποίου οι δυναμικές γραμμές σχηματίζουν βρόχους, περιεχόμενους σ' επίπεδα κάθετα προς το επίπεδο του σπειροειδούς πηνίου.

Το μαγνητικό πεδίο πολοειδούς πεδίου, είναι ένα πεδίο που αντιτίθεται στην τάση του πλάσματος να επεκταθεί κατά την ακτινική διεύθυνση (που υποδεικνύεται από το μπλε κυκλικό βέλος στο θάλαμο του πλάσματος στα αριστερά).

Η υπέρθεση αυτών των πεδίων δημιουργεί ένα ελικοειδές πεδίο που κινείται σπειροειδώς γύρω από τη συσκευή. Δεδομένου ότι το πλάσμα ακολουθεί τις γραμμές των μαγνητικών πεδίων (λίγο ή πολύ), αυτές οι σπειροειδείς μαγνητικές γραμμές των πεδίων χρησιμεύουν για να περιορίσουν το πλάσμα. Το κάθετο πεδίο χρησιμοποιείται για να διορθώνει την κλίση του πλάσματος, που ειδάλλως θα εμφανιζόταν λόγω των κλίσεων στα άλλα πεδία.

Στα πραγματικά tokamak, υπάρχουν κι άλλα πηνία για να διαμορφώνουν το πλάσμα ή για να διορθώσουν τα σφάλματα στο πεδίο.

Πολλά tokamak αναζητούν επίσης τρόπους της οδήγησης του ρεύματος εκτός από το ωμικό σωληνοειδές. Οι δύο σημαντικές διαστάσεις ενός tokamak είναι η μεγάλη ακτίνα του, δηλαδή η απόσταση από το κέντρο του ωμικού σωληνοειδούς στο κέντρο του πλάσματος, και η δευτερεύουσα ακτίνα, που είναι η ακτίνα του ιδίου του πλάσματος.

Η ιδέα του tokamak αντιπαραβάλλεται με μια άλλη παρόμοια ιδέα, περιορισμού του πλάσματος, την συσκευή stellarator, στην οποία όλα τα μαγνητικά πεδία περιορισμού του πλάσματος παράγονται από εξωτερικά πηνία.

Η λέξη tokamak είναι Ρώσικη και βρέθηκε από τους Ρώσους Tamm και Sakharov (τον διάσημο Νομπελίστα). Είναι μια συστολή των ρωσικών λέξεων: "toroidalnaya", "kamera", και "magnitnaya", που σημαίνει "σπειροειδής αίθουσα μαγνητική".