Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
216
ГЛАВА 5
с которой плазма выбрасывается на стенки в эксперименте по удержанию, велика. Максимальное значение пху достигаемое в плазме с гидромагнитной неустойчивостью, порядка IO8 см~3*с, что заведомо далеко от значения пт = = IOu см~3*с, необходимого для осуществления управляемой термоядерной реакции.
Если бы плазма кё была неустойчивой и единственным механизмом потерь была бы классическая диффузия за счет столкновений между частицами и градиента давления, то можно было бы достичь значений пт, больших лоусонова значения IO14 см_3*с. Гидромагнитные неустойчивости удалось подавить. То, что в настоящее время предельное значение пт ж » IO12 см-3-с, связано в основном с кинетическими неустойчивостями, называемыми иногда микронеустойчивостями. Они, как правило, имеют более короткую длину волны и приводят к меньшим крупномасштабным перемещениям плазмы. К сожалению, средства борьбы с этими неустойчивостями, по-видимому, являются не такими простыми, как в случае гидромагнитных неустойчивостей.
Возможно, хотя и маловероятно, что решение проблемы управляемого термоядерного синтеза лежит в стороне от всех принятых ныне направлений.
В настоящее время наряду с системами магнитного удержания изучаются лазерная плазма, турбулентный нагрев, электростатические ловушки, схемы удержания электромагнитными волнами и нейтральным газом высокого давления.
Конфигурация магнитного поля, создаваемого двумя катушками с током, расположенными, как показано на фиг. 102, называется пробкотроном. Исследование движения отдельных заряженных частиц (приложение I) в таком магнитном поле обнаруживает, что частицы с определенными свойствами могут быть захвачены этим полем. В частности, частицы, удовлетворяющие условию адиабатичности (т. е. когда изменение магнитного поля за один период движения и изменение поля в масштабе орбиты много меньше самого магнитного поля), остаются захваченными между двумя пробками неограни-
§ 15. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УДЕРЖАНИЮ ПЛАЗМЫ В ОТКРЫТЫХ КОНФИГУРАЦИЯХ
15.1. Пробкотронные эксперименты
Пробочные -----катушки----------
© Направления токов
А
Силовые
линии
Ось
пробкотрона
Фиг. 102. Схематическое представление магнитного поля пробкотрона. Показана траектория заряженной частицы. В плоскости А магнитное поле минимально (#мин). а в нлв-скости Б — максимально (#макс)* Ток в катушках направлен на читателя.
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 217
ченно долго при условии, что отношение перпендикулярной составляющей скорости частицы к параллельной в средней плоскости удовлетворяет неравенству
->-4=, (5.15.1)
»11 l/R ’ V '
где R —так называемое пробочное отношение (і?макс/^мин)-
Заряженные частицы, не удовлетворяющие последнему неравенству* как говорят, находятся в конусе потерь, т. е. в конусе пространства скоростей, который определяется неравенством (5.15.1) с обратным знаком. Адиабатическая теория движения заряженных частиц дала ясные и достаточно благоприятные предсказания относительно удержания заряженных частиц в пробкотронах, однако оставались некоторые сомнения (50-е годы) следующего рода, а именно не вызовут ли малые систематические изменения (связанные с возмущением магнитного поля, конечным размером катушек ит. п.) магнитного момента захваченных частиц уход их из пробкотрона за счет механизмов, не учтенных в теории.
Гибсон, Джордан и Лойер [13] экспериментально доказали, что отдельные заряженные частицы остаются захваченными в пробкотроне, что прекрасно согласуется с предсказаниями адиабатической теории. В их эксперименте стационарное магнитное поле пробкотрона создавалось внутри области высокого вакуума, в которую впрыскивался радиоактивный изотоп неон в небольшом количестве. При распаде атомов неона образуются позитроны, которые, отражаясь от пробок, в среднем IO9 раз проходят между пробками, прежде чем они попадут в конус потерь после упругого рассеяния на атомах остаточного газа. Таким образом, теория предсказывает, а эксперимент подтверждает, что отдельные частицы удовлетворительно захватываются магнитным полем пробкотрона. Однако захват одной. частицы в некоторой конфигурации поля еще не означает, что плазма находится в устойчивом равновесии или даже просто в равновесии в такой же конфигурации.
Прежде чем затрагивать коллективные аспекты удержания плазмы в пробкотроне, следует отметить, что существует проблема ухода плазмы из пробкотрона за счет упругих столкновений. Если бы в магнитном поле двигались только две захваченные заряженные частицы, они в конце концов попали бы в некоторую точку пространства, где произошло бы их упругое столкновение.
При упругом столкновении координаты частиц в пространстве скоростей изменяются случайным образом. В результате такого случайного блуждания одна из частиц попадает в конус потерь и, следовательно, выходит из пробкотрона. Если существует некоторое распределение скоростей частиц, то примерно половина частиц теряется за время порядка времени между парными, или кулоновскими, столкновениями в зависимости от того, какое из времен меньше [14, 23*]. Такая потеря заряженных частиц представляет собой достаточно серьезный механизм потери энергии, который должен быть устранен с целью успешного применения пробкотро-нов в термоядерных реакторах. Однако предложены уже схемы, в которых эта потеря энергии может быть восполнена. Поскольку столкновение заряженных частиц в пробкотроне приводит ко времени удержания порядка времени между кулоновскими столкновениями, произведение плотности на время удержания, пт = l/(ago°z;j), не зависит от плотности, а определяется сечением рассеяния на угол 90°. В оптимальных условиях, т. е. в отсутствие гидромагнитных и кинетических неустойчивостей, теоретически возможно удовлетворить критерию Лоусона для пробкотрона, хотя в лабораторных условиях это еще не было достигнуто.
