Лекция 4. Вследствие нестабильности, неустойчивости плазмы в плазменном шнуре удержать плазменный шнур в таком состоянии не удается: происходят быстрые радиальные его

Вследствие нестабильности, неустойчивости плазмы в плазменном шнуре удержать плазменный шнур в таком состоянии не удается: происходят быстрые радиальные его колебания - он то расширяется, то снова сжимается..

Результатом этого является нарушение термоизоляции, интенсивное взаимодействие плазмы со стенками, приводящее к загрязнению дейтерия веществом стенок и к быстрому охлаждению плазмы. Все это происходит за время в несколько микросекунд, сравнимое со временем разрядного импульса. К моменту, когда достигнут максимум тока, температура плазмы уже снижается по сравнению с той, которая у нее была в момент окончания первого сжатия в шнур.

Для осуществления управляемых термоядерных реакций необходимо выяснить условия, при которых высокотемпературная плазма, помещенная в магнитном поле надлежащей конфигурации, может сохранять устойчивость. Решение этого вопроса, наряду с поисками путей повышения температуры плазмы до необходимой для самоподдерживающейся реакции синтеза, является главным направлением, в котором развиваются исследования по управляемым термоядерным реакциям.

Проблема устойчивости плазмы потребовала прежде всего тщательного изучения деформаций, которые могут возникнуть в плазменном шнуре. Не вдаваясь в детали, укажем, что в области сужения (перетяжки) плазмы возрастает напряженность магнитного поля, а вместе с ней возрастают и электродинамические силы, стягивающие шнур в этой области. Между тем давление самой плазмы во всех ее сечениях одинаково, и плазма может свободно перетекать вдоль столба. Следовательно, в месте сужения возросшее электродинамическое давление не будет уравновешиваться давлением плазмы, и сужение будет продолжаться вплоть до разрыва шнура в области первоначального сужения. Аналогично можно показать, что возникшая в плазменном шнуре деформация изгиба будет развиваться и приведет к дальнейшему изгибанию шнура.

В настоящее время детально изучены возможные виды неустойчивости плазмы. Для стабилизации плазмы применяются различные варианты использования дополнительных внешних магнитных полей, не связанных с током, проходящим через плазму

.

На рис. изображена установка для сжатия плазменного шнура быстро нарастающим магнитным полем. Это явление называется тэта-пинч. Газ, находящийся в кварцевой трубке 1, ионизуется с помощью вспомогательного высокочастотного генератора 2 путем создания в газе тлеющего разряда. После возникновения плазмы в трубке разрядное устройство 3 вызывает искру в разрядном промежутке 4 вследствие чего виток 5 подключается к конденсаторной батарее 6. При разряде конденсаторов через виток протекают огромные токи, порядка миллиона ампер. Вследствие этого внутри витка создается практически однородное магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль трубки (продольное поле). Индукцию этого поля можно оценить с помощью выражения В ≈ μ₀ i /2 a, при условии, что r ₀ = а - радиусу витка. Полагая а ≈ 0,1 м, i ≈ 10⁶ А, получим В ≈ 4π · 10⁶/(2 · 10⁷ · 0,1) ≈ 6 Тл.

Быстро нарастающее магнитное поле сжимает плазму в очень узкий шнур. Процесс сжатия плазмы идет настолько быстро, что возникающая при этом ударная волна разогревает плазму до температуры свыше 10 млн градусов.

Одним из недостатков тэта-пинча является утечка плазмы в торцы трубки. Бороться с утечкой плазмы в торцы можно с помощью магнитных пробок. Так называются созданные на концах трубки участки с повышенной индукцией магнитного поля - иными словами, с большой концентрацией силовых линий. Ионы и электроны, из которых состоит плазма, движутся в магнитном поле по винтовым линиям, навивающимся на силовые линии. Вблизи магнитной пробки скорость продольного движения уменьшается, скорость вращения нарастает, и ион, отразившись от магнитной пробки, возвращается опять в центральную часть камеры. Магнитные пробки используются в советской установке "Огра" - одной из крупнейших в мире установок данного типа.

Бороться с утечкой плазмы можно также, изготовив трубку в виде замкнутого кольца - тороида, у которого нет торцов. Однако здесь есть свой недостаток - плазма отжимается собственным магнитным полем к внешней стенке трубы. Тем не менее в настоящее время полагают, что именно в тороидальных установках удастся в ближайшее время получить высокотемпературную плазму, в которой можно будет реализовать управляемую термоядерную реакцию.

Наиболее удачной оказалась установка "Токамак", разработанная впервые в нашей стране. Это слово составлено из первых слогов названий основных элементов установки: ток, камера, магнитные катушки.

Как видно из схемы установки, показанной на рисунке, токамак является по существу трансформатором с первичной обмоткой 1 и сердечником 2, набранным из стальных листов. Вторичная обмотка - это виток плазмы 3,

находящейся в камере 4 в виде тора из тонкой нержавеющей стали, покрытого кожухом 5 из толстой меди; обе эти оболочки электрически изолированы друг от друга, и в зазоре между ними с помощью насосов поддерживается вакуум. Импульсы тока в первичной обмотке индуцируют внутри тора вихревое электрическое поле с напряженностью, достаточной для ударной ионизации разреженного газа внутри камеры. Возникающий при этом ток порядка 10⁶ А своим магнитным полем удерживает плазму, не давая ей соприкасаться со стенками тора.

Существенную роль в удержании плазмы играет также магнитное поле токов Фуко, индуцируемых плазмой в кожухе 5. Для стабилизации плазмы и подавления возникающих в ней неустойчивостей используется дополнительное продольное магнитное поле, создаваемое катушками 6, намотанными на тор. Наблюдение за плазмой осуществляется через смотровой патрубок 7.

Другим типом тороидальных установок являются стеллараторы. Их конструкция мало отличается от токамака. Основное различие заключается в том, что плазма удерживается не собственным магнитным полем, а внешним магнитным полем, создаваемым винтовой обмоткой, намотанной на кожух.

Дата добавления: 2014-01-07