Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Конечная цель всех экспериментов по удержанию плазмы заключается в том, чтобы получить положительный (превышающий затраты) выход ядер-ной энергии в процессе слияния ядер легких элементов, таких, как дейтерий и тритий. Чтобы такое слияние произошло, нужно заставить столкнуться указанные выше ядра с достаточно большой относительной скоростью, чтобы преодолеть кулоновские силы, связанные с электрическим зарядом ядер. Энергия в расчете на одно ядро в системе покоя центра масс, необходимая для осуществления термоядерного реактора с положительным выходом, находится в диапазоне 10—100 кэВ [11].
Лоусон [12] рассмотрел простую задачу о том, сколько энергии следует затратить, чтобы создать и удержать ансамбль легких ядер с большой энергией (плазму), и сколько энергии высвободится при реакциях синтеза между этими ядрами в зависимости от плотности и температуры. Он пришел к выводу, что произведение плотности частиц в высокотемпературной (Г > 10 кэВ) плазме на время удержания при этой плотности должно превышать определенное значение, а именно [п (число частиц в см3)] *[т (время удержания в с)] > IOu для D — Т-реакций (для D — D-реакций пт > IO16). Это неравенство известно под названием критерия Лоусона. Ближайшая цель исследований по управляемому синтезу заключается в создании плазмы, удовлетворяющей этому критерию. Более далекая задача состоит в экономически оправданном производстве электроэнергии и подключении огромного резервуара энергии за счет синтеза дейтерия и других распространенных в природе ядер, участвующих в термоядерных реакциях. Чтобы представить себе масштабы энергетических ресурсов за счет ядерного син-
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 245
теза, следует принять во внимание тот факт, что мировое потребление энергии в 1975 г. составит, по оценкам, 3,6-IO17 кДж в год. Энергия, освобождаемая в реакциях синтеза дейтерия, сможет удовлетворять мировые нужды в течение IO9 лет при уровне потребления энергии, превышающем настоящий в 50 раз.
На ранней стадии в экспериментах по удержанию плазмы были достигнуты Значения пт ж IO8 см_3*с. В некоторых из наиболее успешно развивающихся ныне (1972 г.) экспериментов достигают значений пт ж IO12 см_3*с,
и, как полагают многие работающие в этой области специалисты, нет принципиальных причин, по которым нельзя было бы достичь как ближайшей, так и более далекой цели, упоминавшейся выше.
Плазма с кинетической температурой выше нескольких электронвольт не может быть удержана в контакте со стенками из вещества, так как либо стенки стали бы испаряться, либо плазма быстро бы охлаждалась при соприкосновении со стенками, находящимися при более низкой температуре. Последняя ситуация обычно и создает проблему. В настоящее время является общепризнанным, что постоянное или медленно меняющееся магнитное поле обеспечит термоизоляцию плазмы и позволит удержать высокотемпературную плазму в термоядерном реакторе от соприкосновения с материальными стенками.
Однородное магнитное поле заставляет заряженную частицу двигаться вдоль трубки силовых линий по спиральной орбите с циклотронным радиусом ас (= V1Icoc). Движение такой частицы ограничено в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, но, очевидно, не ограничено в направлении магнитного поля. Для решения задачи об ограничении движения частицы вдоль магнитного поля существуют два подхода. Один из них заключается в том, чтобы увеличить магнитное поле в двух плоскостях. Такую конфигурацию поля образует магнитная бутылка, называемая пробкотроном. Магнитное поле этой конфигурации способно захватывать отдельные заряженные частицы с определенными свойствами и удерживать их рассматриваемым ниже (§ 15) способом. Данная конфигурация называется открытой системой (или открытой конфигурацией), так как частицы, которые уходят через магнитные пробки, теряются.
Другой подход к проблеме ухода частиц вдоль силовых линий состоит в том, чтобы изогнуть силовые линии и замкнуть их в траектории, напоминающие замкнутую беговую дорожку. Такое поле создается катушками с током, намотанными на поверхность тора; магнитное поле при этом тороидальное. Пробкотроны с замкнутыми силовыми линиями называются замкнутыми системами (или замкнутыми конфигурациями). Простое тороидальное магнитное поле не удерживает отдельные частицы. Эта проблема и пути ее решения обсуждаются в § 16 настоящей главы.
Как с открытыми, так и с замкнутыми системами для удержания плазмы связана одна и та же проблема удержания плазмы в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Давление плазмы р± = пкТ поперек поля должно уравновешиваться магнитным давлением B2I8я. Чтобы удержать плазму при температуре выше 10 кэВ и плотности ~1014 см-3, потребуется магнитное поле порядка 50—100 кГс. Магнитное поле в 100 кГс соответствует давлению 400 атм и плотности магнитной энергии 40 Дж/см3.
Если пренебречь потерей плазмы вдоль силовых линий магнитного поля, остается вопрос о потере плазмы поперек магнитного поля. Здесь мы также не рассматриваем потерь энергии за счет излучения из плазмы. Радиационные потери (тормозное, синхротронное и примесное излучение) мы обсудим в гл. 11. Наиболее серьезным механизмом, вызывающим потери плазмы, являются гидромагнитные неустойчивости, описанные выше в настоящей главе. Времена нарастания этих неустойчивостей малы, а скорость,
