Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Один из способов создания и захвата плазмы в магнитном поле заключается в инжекции пучка нейтральных атомов с высокой скоростью поперек магнитного поля. На ионы и электроны в нейтральных атомах действует сила q\ X В, которая стремится разделить их. Если скорость нейтральных атомов и величина магнитного поля достаточно большие, то происходит лорен-цева ионизация атома. На этом принципе Дамм с сотрудниками построили установку «Алиса» [18] в Ливерморской лаборатории Лоуренса в Калифорнии. В этой установке пучок нейтральных атомов дейтерия с энергией 20 кэВ инжектируется поперек средней плоскости магнитного поля пробкотрона, что приводит к образованию и захвату в пробкотроне дейтронов с энергией 20 кэВ. По мере прохождения пучка через поле пробок плотность плазмы возрастает, пока наконец не происходит полная ионизация за счет столкновений атомов пучка с захваченными частицами плазмы. Данный эксперимент был задуман в надежде на то, что при постепенном увеличении плотности плазмы неустойчивости не будут возбуждаться. Однако этого не случилось; гидромагнитные неустойчивости были подавлены в установке «Алиса» с помощью стабилизирующих полей, наложенных на поле пробкотрона, но кинетические неустойчивости все-таки привели к уходу плазмы. В типичных условиях эксперимента получали плазму с температурой 20 кэВ, плотностью IO9 см-3 и временем жизни 100 мс. Теперь в эксперименте с «Алисой» применяется устойчивая магнитная конфигурация, создаваемая током,
228
ГЛАВА 5
Фиг. 113. Катушка «Бейсбол-ІI», используемая в эксперименте по инжекции нейтральных пучков па установке «Алиса» в Ливерморской лаборатории Лоуренса.
текущим по контуру, который напоминает шов на бейсбольном (или теннисном) мяче. В последнем варианте этого эксперимента используется сверхпроводящая катушка «Бейсбол-Н», показанная на фиг. 113. Катушка может обеспечить постоянное магнитное поле 20 кГс в центре и 25 кГс у обмоток. Магнитные силы, создаваемые такой катушкой, превышают 400 т; для осуществления эксперимента пришлось разработать специальные стали, выдерживающие такие нагрузки при температуре 4,2 К.
17.2. Астрон
Установка «Астрон», разработанная Кристофилосом с сотр. [19] в Ливерморской лаборатории Лоуренса в Калифорнии, предназначена для удержа-
Фиг. 114. Общий вид катушек, окружающих вакуумную камеру установки «Астрон» в Ливерморской лаборатории Лоуренса.
УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ; ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ 229
ни я высокотемпературной плазмы. Сначала в ней создается замкнутая магнитная конфигурация, обеспечивающая гидромагнитную устойчивость. Схема создания такого магнитного поля предусматривает инжекцию электронного пучка с энергией 4 МэВ и током 400 А на спиральные траектории поперек почти однородного магнитного поля. Пучок захватывается по принципу пробкотрона и образует оболочку длиной 10 м, называемую «е-слой». Если плотность электронного слоя достаточно велика, он будет действовать как токовая оболочка, создавая магнитное поле с направлением, противоположным направлению исходного поля. Когда ток в е-слое достаточно вырастет, внутреннее поле изменит направление на противоположное, при этом образуются силовые линии, замкнутые вокруг е-слоя, так что вблизи точки переключения поля имеется область с минимумом В. Как только создан е-слой, в установку инжектируется газообразный дейтерий (или тритий), где он будет ионизоваться и нагреваться релятивистскими электронами в ?-слое. На фиг. 114 приведена фотография установки «Астрон», на которой видны катушки, предназначенные для создания первоначального магнитного поля, которое образует е-слой.
17.3. Сциллак
Некоторые свойства сильноточных разрядов обсуждались в гл. 3. В подобных разрядах образуется плотная плазма с п > IO16 см-3 и температурой выше 1 кэВ. Такую плазму нельзя удержать в течение длительного времени, обычно время ее жизни около 1 мкс. Цель разработки специальных установок для термоядерных экспериментов состоит в достижении критерия Лоусона путем повышения плотности, а не в увеличении времени удержания. На сегодняшний день достигнуты значения пт около IO11. Наиболее распространенный вариант таких экспериментов — 0-пинч. Хотя в 0-пинчах плазма и удерживается в радиальном направлении поперек магнитного поля, однако ей предоставляется возможность свободно вытекать на концах. В Лос-Аламосских научных лабораториях было предложено возможное решение проблемы концевых потерь путем замыкания 0-пинча в тороидальную конфигурацию х).
17.4. DCX
Установка «DCX» в Окриджской национальной лаборатории представляет собой пробкотрон с постоянным магнитным полем. Создание плазмы происходит при инжекции пучка ионов HJ с энергией 600 кэВ под прямым углом к оси пробкотрона в средней плоскости. Такие заряженные частицы, разумеется, вышли бы из статического магнитного поля, если бы они не диссоциировали при прохождении пучка через сильноточную дугу, которая зажигается вдоль магнитного поля пробкотрона. Таким путем создается плазма с огромной температурой (~300 кэВ), но с низкой плотностью (~109 см-3), которая обладает очень сильной анизотропией температуры с соответствующими ограничениями, налагаемыми кинетической неустойчивостью (неустойчивостью Харриса), обсуждаемой в гл. 9.
