Конструкция[править | править вики-текст]

Наиболее важная часть ITER — сам токамак и все служебные помещения — расположены на площадке в 1 километр длиной и 400 метров шириной. Рисунок^[254] на сайте ITER показывает схему расположения всех служебных и производственных зданий. Предполагается, что строительство продлится до 2017 года. Основная работа на этом этапе выполняется под руководством французского агентства ITER, а в сущности CEA.

В целом токамак ITER будет представлять собой 60-метровый колосс массой 23 тыс. тонн^[255][256].

Токамак[править | править вики-текст]

Термин «Токамак» — русскоязычный. Изначально И. Н. Головин предложил аббревиатуру «ТОКАМАГ» — «ТОроидальная КАмера с МАГнитами». Однако Н. А. Явлинский подметил, что глухая гласная на конце слова будет звучать более выразительно. Так «ТокамаГ» стал «ТокамаКом» — «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».

Магнитная система[править | править вики-текст]

Магнитная система токамака состоит из 48 элементов: 18 катушек тороидального поля, 6 катушек полоидального поля, центрального соленоида, состоящего из 6 секций, и, наконец, 18 корректирующих катушек.

Индукция поля, создаваемого магнитной системой, достигает 13 Тл. Это чрезвычайно высокое значение. Для сравнения: это поле превосходит магнитное поле Земли в 200 000 раз. Для снижения потерь на электрическое сопротивление в катушках тороидального поля и центрального соленоида используется проводник из сплава ниобия и олова (Nb₃Sn). Для катушек полоидального поля и корректирующих катушек используется ниобий-титановый (NbTi) сплав. При температуре кипения жидкого гелия (примерно 4К или −269 °С) эти сплавы находятся в сверхпроводящем состоянии.

Катушки тороидального поля (toroidal field — TF)^[257] расположены снаружи вакуумной камеры токамака, и внутри оболочки криостата. Они состоят из 18 идентичных элементов (D-образных катушек), расположенных вертикально вокруг торообразной вакуумной камеры. Они создают магнитное поле вокруг плазменного тора напряжённостью 11,8 Тл и запасают энергию 41 гигаджоулей. Каждая катушка весит около 300 тонн, имеет высоту 15 метров и ширину 9 метров. Общий вес катушек тороидального поля 6540 тонн. Катушки намотаны из сверхпроводящего кабеля, который состоит из прядей (стрендов), заключённых в оболочку из того же сплава. Кроме прядей внутри кабеля проходят каналы для циркуляции охладителя — жидкого гелия. Общая длина прядей, используемых для катушек TF, составляет более 80 тысяч метров. Всего будет произведено 19 катушек (одна запасная). Из них 10 штук произведёт Европа, и 9 штук — Япония^[258].

Катушки полоидального поля (poloidal field — PF)^[259] расположены поверх катушек TF. Находятся внутри оболочки криостата. Состоят из 6 катушек, расположенных горизонтально. Назначение этого поля — отдалить плазменный шнур от стенок камеры и сжать его (адиабатический нагрев). Благодаря своим размерам четыре из шести катушек PF (2, 3, 4, и 5) будут наматываться на территории ITER, в специально построенном для этого Здании полоидальных катушек. О масштабе этих изделий говорит такой факт: две самые большие катушки PF-3 и PF-4 имеют внешний диаметр 24 метра, а масса каждой 400 тонн^[260]. Меньшие катушки (обозначения в спецификации ITER PF-1 и PF-6) будут производится в России и Китае соответственно, и доставлены отдельно. Катушка PF-1 будет намотана в России, в Санкт-Петербурге, на Средне-Невском судостроительном заводе. Начало намотки катушки планируется на лето 2015 года^[261]. Производство катушки PF-6 поручено Китаю.

Центральный соленоид (central solenoid — CS) расположен в «дырке от бублика» — вдоль оси вакуумной камеры. По сути, он представляет собой трансформатор, возбуждающий индуктивный ток в плазме. Благодаря форме камеры плазменный шнур образует кольцо. Таким образом, плазменное кольцо является вторичной обмоткой трансформатора, замкнутой в короткий виток. Ни один трансформатор не может работать на постоянном токе, поэтому напряжение в первичной обмотке будет расти от нуля до своего максимального значения. Ток, проходя по плазме, создает дополнительное магнитное поле, стремящееся ещё больше сжать виток (адиабатический нагрев) и одновременно нагревая его за счёт омического сопротивления. Соленоид состоит из шести катушек, намотанных из специального кабеля из ниобий-оловянного сплава (Nb₃Sn). Этот кабель рассчитан на ток до 46 килоампер. Кабель проектировался, чтобы выдержать без деформации значительный вес вышележащих слоёв. Каждая катушка похожа на стопку блинов. Стекло-полиамидная изоляция, пропитанная эпоксидной смолой, способна выдержать напряжение до 29 киловольт. Длина кабеля, укладываемого в каждую катушку, составляет 910 метров. За 20 лет службы токамака центральный соленоид совершит примерно 60 000 импульсов.

Корректирующие катушки расположены внутри вакуумной камеры, между стенкой камеры и бланкетом. Они служат для «сглаживания» пограничных локализованных мод (Edge Localized Modes — ELMs), способных вызвать «выпучивание» плазменного шнура. Такое «выпучивание» опасно множеством негативных последствий. Во-первых, плазма, касаясь стенок камеры, теряет энергию и охлаждается. Во-вторых, происходит испарение, а следовательно, повышенный износ материала «горячей стенки». В-третьих, испарившийся материал (в основном бериллий) загрязняет внутреннее пространство вакуумной камеры мельчайшей пылью. Эта пыль, попав в плазму, заставляет её дополнительно светиться, что ещё больше охлаждает шнур и вызывает ещё больший износ горячей стенки.

Характеристики основных магнитов[262]
	Материал проводника	Длина проводника, 103·м	Масса, тонн	Номинальный ток, кА	Магнитное поле, Т	Накопленная энергия, ГДж	Стоимость (прогноз на 2011 год), M€
Полоидальные катушки (PF)	NbTi	65	2163	52	6	4	122
Тороидальные катушки (TF)	Nb3Sn	88	6540	68	11.8	41	323
Центральный соленоид (CS)	Nb3Sn	42	974	46	13	6.4	135

По форме вакуумная камера представляет собой тор («бублик»). На сайте ITER её называют doughnut — «пончик». Вакуумная камера выполнена из нержавеющей стали. Её размеры: чуть больше 19 метров в «большом диаметре», 11 метров в высоту, и 6 метров «малый диаметр» (диаметр «дырки от бублика»). Объём рабочей полости — 1400 м³. Масса этого компонента токамака — свыше 5000 тонн. Для сравнения: Эйфелева башня весит 10 100 тонн.

Стенки вакуумной камеры двойные. Между стенками расположена полость для циркуляции теплоносителя (дистиллированная вода). Внутренняя стенка защищена от теплового и нейтронного излучения бланкетом.

Для улавливания продуктов реакции в нижней части камеры установлен дивертор. Для демонтажа и монтажа элементов дивертора и бланкета, а также для диагностики и ремонта внутреннего оборудования разрабатывается дистанционный манипулятор.

Доступ к элементам бланкета, дивертора и другим системам, находящимся в «горячей полости», обеспечивают 44 окна (порта) в стенках вакуумной камеры: 18 верхних, 17 экваториальных и 9 нижних.