🙍🏾 👩‍🎨 🐑 托卡马克ARC将为热核未来的战斗增加环形陷阱的机会 ⚒️ 👩🏻‍⚕️ 🛠️

熟悉受控热核聚变现状的任何人都可能会问：为什么在TCB的融资中存在这样的偏见-当存在许多其他重要概念时，托卡马克中的比例就不少于3/4。答案很简单：在70年代，托卡马克人突飞猛进，在接下来的20年中达到收支平衡。获得与加热反应等离子体的成本相当的热核能数量。

JET托卡马克内部的维护机器人。

无论是发生事故，还是托卡马克确实是实现热核温度和密度的最简单方法，但事实仍然存在：尚无其他反应堆能够达到劳森标准的80s〜10％的托卡马克参数。然而，托卡马克人的进一步发展反过来很快达到了人类能力的极限。 ITER-先验复杂性世界中最雄心勃勃的科学装置无法成为廉价能源的基础。

ITER和当今ARC故事的英雄是一个尺度。

因此，随着ITER-DEMO分支机构的发展，研究人员面临着寻找简化托卡马克的方法的任务，托卡马克正在迅速失去大众的视线。
2012年，Vulcan发表了一篇文章：用于反应堆相关等离子体-材料相互作用科学的稳态托卡马克，其中描述了一种用于研究等离子体与材料相互作用的托卡马克。但是，有几种新的技术解决方案定义了一个新的方向。主要的是环形线圈中的高温超导体（HTSC）和真空室的双壳体。我们将稍微谈谈该解决方案的优势，但现在-为什么HTSC不能加入ITER？

研究火神托卡马克概念。

众所周知，高温超导性是在1986年发现的，第一批商业产品出现在90年代中期。当时是在93-98年间，开发了ITER的第一个版本（很少有人知道使用等离子“点火”时，第一个版本甚至更大）。在研究过程中，HTSC由于过于粗糙且不可靠而无法加入ITER这样的高要求项目而遭到拒绝。仅在2000年代初，CERN在HTSC的适用性方面的研究表明该技术是“成熟的”。但是，尽管在2000-2006年间仍在继续开发这种托卡马克的第二版，但它们仍未列入ITER。这次的原因是到那时，ITER团队已经用低温NbSn3磁体测试了环形线圈的原型，没有人会放弃这项非常昂贵的工作的结果并重新开始。

ITER环形场线圈原型的测试于2004年春季在瑞士的SULTAN设施进行。

因此，HTSC和ITER在时间上实际上相差了数年。但是，今天的情况已经发生了巨大变化-第二代HTSC胶带成功地排挤了传统的铌金属间化合物。

在CERN上以7 kA电流测试的REBCO胶带的12 x 12 mm截面的原型比ARC所需的原型小10倍。

自国际热核实验堆（ITER）项目开发以来的过去15年中，总结了许多技术领域的进展，来自著名的美国麻省理工学院的科学家（有趣的是，他们是Dinomak的开发商之一DA Sutherland）提出了ARC tokamak概念-Affordable，Robust，Compact的首字母缩写，即价格适中，功能强大且紧凑。实际上，在提出的概念中，可以在一台机器中实现ITER参数的两倍，而其尺寸仅为国际反应堆成本的1/10。

因此，ARC（文章，PR）基于Vulcan的思想-使用HTSC环形线圈和真空室的双层壁。它有什么作用？许多！让我们看一下不同超导体的“临界磁场/温度”图。

在这里，我们显示了保持超导性的极限温度和磁场的依赖性。对于YBCO和更宽的REBCO，该区域在更高的工作温度下已经达到30T。

可以看出，对于REBCO胶带，可以在不损失相同温度下超导性的情况下获得明显更大的电场，或者在明显较高的温度下产生相同的磁场。 ARC专注于等离子轴上9.25T的磁场（线圈内部的23T接近现代实验室记录！），温度为20K。第一个值几乎是ITER中的2倍，这意味着一立方米血浆的功率释放增长了6倍（为什么会这样？）。这意味着应用了这样的技术。我们可以在现有的JET托卡马克（几乎）的体积中获得500兆瓦的聚变功率。

ARC: 1 — , 2,5 — , 3 — , 4 — , 7 , 8 — , 9 — , 10 — .

实际上，使用REBCO在托卡马克中可以实现的最大场强开始不取决于超导体的特性（ARC的创造者提供的电流密度等于当今的工业记录，但是HTSC正在迅速发展），而是在结构的机械强度之内。场压是ITER的4倍，只有减小的尺寸才能使我们以某种方式处理该问题。 Inconel 718 ARC合金的强力“笼”中的电压将达到60 kg / mm ^ 2，并将接近金属结构中的极限值（100 kg / mm ^ 2）。应当记住，超导线圈的伸长率超过0.2％是不可接受的，因为在这种情况下，允许的临界电流开始减小。

ARC托卡马克的一根肋骨和其中的电压。安全裕度仅为工业建筑的1.5倍。

计划中的系统的一个重要特征是易于拆卸-ARC磁托卡马克系统可以沿着赤道分开，并且移除上部可以方便地进入现代核反应堆的内部。这极大地简化了维护任务，今天通过创建令人费解的机器人系统来解决该问题，该系统通过环形线圈之间的端口开口为内部圆环提供服务。

更换真空室的内壳时拆卸托克马克的插图。蓝色表面是真空室外壁的外壳； FLiBe熔体在两壁之间循环。

真空室的双壁解决了另一个ITER问题。保护反应堆免受燃烧等离子体的最苛刻的中子和电磁辐射的复杂系统，在国际托卡马克的情况下，称为毯子，是一项工程工作，在设计，制造，安装和更改方面存在巨大困难。麻省理工学院的研究人员建议使用由“核盐” FLiBe制成的液体毯代替刚性的机械结构（由于需要用等离子体中的中子辐照锂来获得毯中的tri，因此机械结构会变得复杂）。这种盐-锂和氟化铍的混合物经常在液态盐反应器和现代热核反应堆项目中发现。它是惰性的，具有出色的减速和吸收中子特性，并且在热核反应堆的条件下，它可以再生燃烧的tri。这是通过在铍中乘以中子（一个高能中子在铍核上少产生2个高能），然后使锂与中子Li6 + n-> T + He4发生核反应而发生的。熔融盐不仅可以起到中子保护作用，还可以恢复tri的储量，而且还可以吸收热核反应产生的所有热量，从而使它进入涡轮机循环。

替代性ARC设计甚至更便宜，其中FLiBe（浅蓝色）所占的比例更大，但耐用性却更差，并且视野更小。

另一个重要的简化方法是将托卡马克定位为非感应式操作。在现代大型机器中，等离子体稳定性是由其中产生的强大电流来支持的。电流又由中央电感器产生，并且当电感器从最大正电流放电到最大负电流时，该模式可以继续。因此，按照ITER的计划，即使脉冲可以持续20分钟，处于感应模式的托卡马克还是一台基本为脉冲的机器。但是，也可以选择另一种方法-由特殊的射频源以低混合谐振频率产生电流。这种容量为20兆瓦的电源将在ARC中使用（但是，这并不是一个新的解决方案，在所有现代托卡马克项目中，都是这样）。

安装在Tora Supra托卡马克上的2兆瓦低混合波发射器。

其他开发人员试图依靠ITER的开发，例如，在抽水系统中计划了其低温吸附真空泵。

此外，创造者拒绝通过注入中性粒子来加热等离子体-我们知道中性束的宏伟注入器 -ITER 最复杂的组件之一。等离子体加热仅由ECRH和低杂波射频共振提供。这个决定也朝着廉价汽车的方向发展。

真空室的内壳上的辐射负荷仍然是相当成问题的。破坏剂量的设定速率为30s.a。每年，即在未来的几年中，反应器的内部容器将接近当今材料的最大剂量。但是，希望改变托卡马克内部的简单性可以解决此问题，并等待新的耐核材料（例如分散的氧化物硬化钢）的开发。

带星号的图片：ARC托卡马克的设计参数。

开发的结果是一个实验性热核电厂的出现，可以在与以热核燃烧方式发射ITER的时间相当的时间内创建该事件（此事件不会早于2027年发生）。据研究人员称，这种电站的容量为270兆瓦，成本不会超过数十亿美元。。是的，这仍然离理想值还差得远，但是随着这种反应堆在功率和循环方面的规模扩大，价格至少可以等于核能（每千瓦电价高达5,000美元），而燃料有望几乎免费。当然，几个人的工作远非ITER之类的项目拟定而来，值得保留一定的悲观情绪，尽管如此，研究人员的声誉更多地谈到了以这种方式安装接近预期参数的可行性。

好吧，很高兴看到托卡马克人仍然对替代的“孩子”有回应，而且他们的故事不会以巨型恐龙-ITER和DEMO的建造而告终。

托卡马克ARC将为热核未来的战斗增加环形陷阱的机会

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