هدایت حرارت در توکاماک

پلاسمای توکاماک در اثر یونش یک گاز (رقیق) در اتاقک خلأ چنبره‌ای به وجود می‌آید. در میدان مغناطیسی توکاماک، پلاسما توسط ترکیبی از یک میدان مغناطیسی چنبره‌ای قوی و یک میدان قطبیوار ضعیفتر محصور (در داشت) می‌شود. میدان قطبیوار در اثر یک جریان چنبره‌ای در پلاسما ایجاد می‌شود که برای گرمایش اهمی پلاسما تا دماهای حدود یک کیلو الکترون ولت نیز به کار می‌رود. دماهای بیشتر را می‌توان با استفاده از روشهای گرمایش کمکی به دست آورد.
در دماهای پلاسمایی حدود ده کیلو الکترون ولت، مخلوط دوتریوم – تریتیوم (D - T) با انرژی آزاد شده توسط ذرات آلفای حاصل از واکنش گداخت به صورت خود گرماینده در می‌آید (یعنی مشتعل می‌شود). کیفیت عایق گرمایی که پلاسما برای حصول به اشتعال لازم دارد با پارامتر لاوسون (حاصل ضرب چگالی پلاسما در زمان محصور بودن انرژی) اندازه گیری می‌شود. برای واکنشهای D – T، لازمه اشتعال آن است که این پارامتر در حدود 3×1014 cm-3 sec باشد.
در دستگاه آلکاتور سی در ام. آی. تی. (توکاماک کوپکی که به طریق اهمی گرم می‌شود)، که دارای شعاع اصلی شصا و چهار سانتیمتر، میدان مغناطیسی چنبره‌ای نسبتاً قوی 12 T، و جریان پلاسمای 0.8 MA است، مقادیری در حدود 8×1013 cm-3 sec برای پارامتر لاوسون به دست آمد، که بیش از حد اقل لازم (حد پایینتر، معروف به «سر به سر» با مقدار 6×1013 cm-3 sec) برای تولید انرژی توسط یک رآکتور گداخت D – T است و تقریباً به هدفهای اشتعال نزدیک است. در این آزمایش، قله دما یک و هفت دهم کیلو الکترون ولت و زمان در داشت انرژی در حدود پنجاه میلی ثانیه بود.
دستگاه بسیار بزرگتر رآکتور آزمایشی گداخت توکاماک (TFTR) در پرینستون با شعاع دویست و پنجاه سانتی متر، برای حصول به دماهایی در گستره ده تا بیست کیلو الکترون ولت با استفاده از گرمایش توسط باریکه‌های قوی خنثی طرح شد. در آزمایشهای اولیه TFTR، پلاسماهای یک و نیم تا دو کیلو الکترون ولتی که به طریق اهمی گرم شده‌اند در جریانهای تا یک و نیم مگا آمپر و میدانهای مغناطیسی تا دو و هفت دهم تسلا – که در حدود نصف مقادیر طراحی شده برای دستگاه است – مطالعه شدند. خصوصیات در داشت پلاسما در TFTR و در چنبره مشترک اروپایی (JET) در کالهام، انگلستان، به طور غیر منتظره‌ای مناسب از کار در آمدند، حد اکثر زمان در داشت در حدود سه دهم ثانیه است (برای مقایسه، زمان در داشت لازم برای مغز پلاسمایی یک رآکتور توکاماک مشتعل شده در حدود یک ثانیه است).
از لحاظ نظری، ترابرد گرما در توکاماک باید عمدتاً توسط یونهای پلاسما صورت بگیرد. ترابرد به اصطلاح «نو کلاسیک»، ناشی از بر خوردهای کولنی میان ذرات بار دار در مدارهای مختلف مغناطیسی است. مقادیر پیش بینی شده نظری برای خواص ترابری گرمایی یونها در توکاماکها با آزمایشها تقریباً به خوبی سازگار است – از جمله در آزمایشهای انجام شده در TFTR که در آنها زمانهای در داشت انرژی یونی اندازه گیری شده بیش از نیم ثانیه بوده است.
نا به هنجاری اساسی توکاماک، از دست دادن انرژی از طریق الکترونها می‌باشد، که از لحاظ نظری باید این افت با ضریب (me/mi)1/2 از افت مربوط به یونهای کوچکتر باشد، ولی در عمل بزرگتر است. با نداشتن درک روشنی از این پدیده، قوانین مقیاس بندی تجربی را برای پیش بینی احتیاجات آتی به کار می‌برند.
افزایش قابل انتظار زمان در داشت انرژی با ابعاد فیزیکی، در تعیین حد اقل اندازه و هزینه رآکتور آن اهمیت فراوان دارد. در مدل سنتی، انتظار می‌رود که زمان پخش متناسب با مربع شعاع کوچکتر پلاسما بالا برود. به هر حال، با توجه به آزمایشهای انجام شده در آلکاتور سی، و سایر توکاماکها طی سالیان گذشته، می‌توان خوش بینانه انتظار داشت که زمان در داشت احتمالاً با مکعب اندازه رآکتور افزایش یابد. این نوع افزایش در حال حاضر توسط آزمایشهای گرمایش اهمی TFTR تأیید شده است.
ثابت شده است که در توکاماکهای گرماییده کمکی، ترابرد حرارتی یونی تقریباً نو کلاسیک باقی می‌ماند، ولی در داشت الکترون در معرض نا به هنجاریهای جدیتر و پیچیده‌تری از گستره گرمایش اهمی قرار می‌گیرد. گروه توکاماک ASDEX در آلمان کشف کرد که می‌توان با استفاده از روشهای مهار لبه پلاسما به در داشت با کیفیت بالا («مد - H») دست یافت. آزمایشهای بحرانی دمای بالا با گرمایش کمکی در TFTR و JET برای آینده برنامه ریزی شده است.