Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 222
Фиг. 109. Иллюстрация механизма ухода плазмы в простом тороидальном магнитном поле.
Электрическое поле E возникает вследствие разделения зарядов, вызванного градиентным дрейфом.
В полях E и В плазма дрейфует к стенке со скоростью УDE.
в течение времени ~10-6 с. Следовательно, плазма не может быть удержана в простом тороидальном магнитном поле до тех пор, пока не будут приняты соответствующие меры.
На фиг. HO приведена конфигурация магнитного поля, позволяющая решить проблему удержания отдельных частиц в замкнутых системах. Магнитное поле создается двумя токами. Один из токов полоидальный и создает тороидальное магнитное поле, а другой ток тороидальный и создает полоидалытое магнитное поле. Общее магнитное поле, создаваемое таким распределением токов, обладает следующим свойством. Силовая линия, пересекающая плоскость перпендикулярного сечения тора в точке 1 (фиг. HO, внизу), в следующий раз (после полного обхода вокруг главной оси тора) пересечет эту же плоскость в точке 2, в следующий раз в точке 3 и т. д. Каждый последовательный обход приводит к дополнительному малому угловому смещению силовой линии, как показано па фиг. HO. Это угловое смещение называется углом вращательного преобразования и обозначается буквой і (йота). Если только і не принимает значения 2п/п (п — целое число), силовая линия всюду плотно заполняет целую поверхность. Эти магнитные поверхности вложены одна в другую в том смысле, что силовая линия, более близкая к тороидальному току, заполняет поверхность, которая целиком находится внутри поверхности, образованной более далекой силовой линией^
Остается еще градиент магнитного поля в радиальном направлении,
ґ7\і
I ~ JZ Вращательное
Ч. >*/ преобразование
Фиг. 110, Замкнутая конфигурация магнитного поля с вращательным преобразованием,, создаваемая комбинацией тороидального и полоидального токов.
"224
ГЛАВА 5
и все еще происходит дрейф отдельных заряженных частиц. Можно убедиться в том, что этот дрейф не приводит к потере частиц. Для этого рассмотрим заряженную частицу, находящуюся в верхней точке магнитной поверхности (фиг. 110). Предположим, что локальная скорость дрейфа этой частицы направлена вверх, т. е. к стенке. Ta же самая частица в результате вращательного преобразования при движении по силовой линии в конце концов окажется на дне тора. В данной точке локальная скорость дрейфа по-прежнему направлена вверх, т. е. к центру области удержания плазмы. В результате часть времени частица дрейфует по направлению к стенке, а часть времени — по направлению к центру области удержания плазмы. Для определенных групп частиц происходит компенсация дрейфов в различных направлениях (наружу и внутрь), и дрейф к наружным стенкам в среднем отсутствует. Таким образом, при достаточно большом вращательном преобразовании отдельные частицы могут быть удержаны магнитным полем, создаваемым комбинацией тороидального и полоидального токов. Эксперименты, проведенные Гибсоном с сотр. [17] в Калэмской лаборатории в Англии, показали, что отдельные заряженные частицы могут удерживаться в замкнутых магнитных конфигурациях. Поверхности дрейфа частицы не совпадают точно с магнитными поверхностями, но близки к ним.
16.2. Стелларатор
Одно из первых и крайне нетривиальных решений проблемы удержания отдельных частиц в замкнутых магнитных системах предложил Спитцер в 1951 г., когда он дал общее представление о спгеллараторе. Предложенный им способ решения данной проблемы состоит в том, чтобы согнуть тор в «восьмерку». При этом происходит такое изменение магнитного поля, что оно приобретает конфигурацию вложенных магнитных поверхностей. В ранних экспериментах со стеллараторами в Принстонской лаборатории физики плазмы применялось скручивание тороидальной конфигурации в «восьмерку». Однако магнитное поле с аналогичными свойствами может быть получено и при соответствующем размещении проводников вне тороидальной вакуумной камеры.
Исследования показали, что плазма с низким (і обладает в стеллараторе гидромагнитным равновесием и гидромагнитной устойчивостью. Устойчивость плазмы в стеллараторе связана в основном со слабой перекрещен-ностью (широм) силовых линий, которая препятствует нарастанию желоб-ковых мод. Простейший метод нагрева плазмы в стеллараторе и других тороидальных устройствах состоит в возбуждении в плазме тороидального тока. Это достигается быстрым изменением магнитного поля обычно с помощью железного сердечника, проходящего через центр тора. По существу плазменное кольцо представляет собой как бы вторичную обмотку трансформатора, состоящего из одного витка. Наведенный ток разогревает плазму в процессе омического (или джоулева) нагрева за счет сопротивления плазмы. Te же токи, которые нагревают плазму, возбуждают магнитное поле, которое уменьшает стабилизирующее действие стеллараторных полей. Действительно, если токи нагрева достаточно велики, вращательное преобразование может быть нарушено и равновесие плазмы будет отсутствовать.
