Как отмечалось во Введении (раздел В.З), эксперимен- тальные исследования по управляемому термоядерному синтезу начались в 1950 г. и до сих пор максимум, что получено — это несколько секунд работы на DT с (пте) = = 0,4см~3с, Т ~ ЮкэВ. Это было сделано в конце 90-х годов прошлого столетия на токамаке JET и японском токомаке JT-60 (см. ниже). Центральной проблемой УТС является создание ловушек для плазмы, удовлетво- ряющих критерию Лоусона, т. е. удержание энергии плазмы в течение достаточно длительного времени те при соответствующей температуре. Для осуществления УТС были испробованы самые различные способы: - стационарные ловушки, использующие магнитные поля; - стационарные ловушки, использующие комбинированные магнитные и электри- ческие поля; - импульсные магнитные системы (z и #-пинчи различной конфигурации); - сверхмощные короткоимпульсные системы с инерциальным удержанием (на- грев и сжатие малых - <1 мм - мишеней с помощью когерентного и некоге- рентного излучений, электронных потоков, потоков тяжелых ионов и т.п.); Эти системы очень различаются друг от друга. Достаточно сказать, что плотность водородной плазмы (DT) в предполагаемых и реализованных системах варьируются от ~ 5 • 1О~1Ог/см3 до ~ 100г/см3, а длительность те от ^ \ не до секунд и более (последнее в перспективе) Ч. 1) Существует и неплазменные подходы к проблеме УТС. Наиболее известный из них "мю- катализ", при котором используются /х-мезоны, но они короткоживущие, а затраты энергии на их создание велики. 532 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий Ниже основное внимание мы уделим схемам стационарных ловушек с магнитным удержанием. Однако для полной картины мы сначала коротко остановимся на систе- мах с инерциальным удержанием, исследованию которых было во всем мире уделено много внимания, и при этом был получен ряд выдающихся достижений. Параметры системы с инерциальным удержанием [261] Основными элементами таких систем являются - сферическая "мишень" диаметром ~ 1 мм, содержащая D+T; - система мощных генераторов потоков энергоносителей, сфокусированных на мишень. В принципе, в качестве энергоносителей могут использоваться потоки частиц, но сейчас наиболее удобными являются потоки когерентных излучений коротковолновых лазеров на неодимовом стекле и некогерентного рентгенов- ского излучения "двухступенчатого Z-пинча" (см. Приложение Б). И мишени, и генераторы потоков когерентного излучения являются очень непросты- ми системами, и на их особенностях мы останавливаться не будем. При термоядерных температурах скорость разлета нагреваемой мишени ~ ~ 108см/с. Поэтому рабочий импульс при указанных размерах мишени должен быть ~ 10~9с = 1нс. Энерговклад в мишень для получения положительного энергобаланса, как показывают расчёты и экспериментальные данные, должен быть порядка нескольких мегаджоулей. Соответственно мощность лазерного импульса должна быть rsj Ю15Вт. Если учесть, что кпд лазерных систем на Nd-стекле < 0, 3%, постоянная Лоусона будет А > 1016см~3с. И, следовательно, плотность частиц изотопов водорода должна быть а п~ — ~ 1025см~3. ТЕ В то же время плотность твёрдого водорода в нормальных условиях пт ~ 5 х х 1022см~3. Отсюда видно, что мишень должна быть сжата почти в 1000 раз. Более тщательные расчёты увеличивают эту оценку в 3—5 раз, и тогда приходим к массовым плотностям ~ B00—300) г/см3. Сжатие такого масштаба можно получить (а сейчас получены сжатия всего на один порядок меньше) за счет реактивного давления со стороны массы, испаряющей- ся и улетающей под действием излучения с поверхности мишени. В настоящее время наиболее впечатляющие результаты были получены в 1990- х годах на американской установке "Нова" (рис. 10.5.3). Там лазерный импульс длительностью ~ 1 не обладал энергией ~ 100 кДж. При этом были получены пте ~ « B-5) • 1014см-3с, Т « A,5-2КэВ, р ~ B0-30) г/см3. Это весьма высокие пара- метры, и поэтому в США детально проработан новый проект лазерной установки с инерциальным удержанием (Проект NIF), способной дать положительный энерге- тический выход. Однако физика инерциального удержания относится в основном к физике плотной неидеальной плазмы. Поэтому мы на ней останавливаться не будем. А теперь перейдем к стационарным магнитным ловушкам, которые смотрятся предпочтительнее для промышленных целей. Три типа систем магнитного удержания. Стационарные магнитные системы по топологии плазменного объёма, как уже говорилось в разделе 1.7, можно разбить на три типа: - односвязные; - двусвязные; - многосвязные, К первому типу относятся в- и Z-пинчи и "открытые" ловушки с про- дольным магнитным полем, торцы которых прикрыты разнообразными "пробками" 10.5. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС) 533 Рис. 10.5.3. Камера установки "Нова", в которой облучается мишень (рис. 10.5.4). Это прежде всего соленоид вообще без пробок "пролетотрон" — "соле- ноидальная ловушка" (рис. 10.5.4а). Сегодня он не реализуется, прежде всего, из-за большой энергоемкости. Идея пролетотрона была высказана А. И. Морозовым в 1968 году с целью создать некую точку отсчета для оценки масштабов реакторов [271]. Длина пролетотрона на DT порядка нескольких километров. Но роль идеи пролетотрона оказалась более существенной. Отталкиваясь от этой идеи, Г. И. Будкер [271] предложил гофрированную ловушку с плотной плазмой (см. ниже), а Д. Д. Рютов — гидродинамическую ловушку (рис. 10.5.46). Последняя схема основана на том, что длина пролетотрона, удовлетворяющая критерию Лоусона, в случае DT должна быть на порядок больше длины свободного пробега по отно- шению к ион-ионным столкновениям. Поэтому в первом приближении пролетотрон можно рассматривать как газодинамическую систему и уменьшить потери, усилив поле на торцах. Тогда уход частиц уменьшится в Нта^/Но раз. Правда, из-за большей величины Щ выигрыш реально в длине < 2. Далее на рис. 10.5.4в идут "пробкотроны", называемые также "зеркальными" или "адиабатическими" ловушками. Об этих ловушках говорится в п. 1.7.1 и п. 5.6.2. Удержание в них частиц осуществляется благодаря сохранению частицами попе- речного адиабатического инварианта (J± = v\/H). Время удержания частиц в них порядка времени ион-ионных столкновений. Чтобы увеличить время удержания частиц в пробочной ловушке, Г. И. Димовым была предложена трехсекционная ловушка, изображенная на рисунке 10.5.4г. Идея Димова состояла в следующем. В концевых ловушках (секциях) создается ионно-горячая плазма с Т^ ~ 1 МэВ. При такой температуре время между столкновениями возрастает и становится больше 534 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий dxdx:icxix:i Рис. 10.5.4. Схемы открытых ловушек: а — пролетотрон; б — газодинамическая ловушка; в — простая пробочная ловушка Будкера-Поста, г — трехсекционная ловушка Димова с электро- статическим запиранием ухода частиц через торцы; д — простая антипробочная ловушка; е — длинная антипробочная ловушка "ДАЛ"), ж — диффузионная ловушка Морозова (ЭСПЛ), з — гофрированная ловушка Будкера (ГОЛ), S — инжекция рабочего вещества те в средней секции, где происходит основное число ядерных реакций. Плотность плазмы nmax в концевых секциях создается больше, чем щ в центральной секции, и поэтому потенциал там в силу п. 3.2.2 ниже, чем на краях: , , К.1р '«тлях е п0 Эти горбы потенциала и удерживают ионы в главной секции. Подбирая nmax, no, ^i,max, ^e,max, Te$ и объёмы секций, можно было рассчитывать на положительный выход энергии реактора. Но., .появление новых факторов — большого электрического поля и высокой Т — породило новые трудности, которые пока не преодолены. На рисунках 10.5.4д и 10.5.4е изображены схемы "антипробочных ловушек". В этих ловушках обеспечена гидродинамическая устойчивость плазмы, но имеющи- еся большие щели не позволяют надеяться на обеспечение положительного выхода энергии. Принцип следующих диффузионных ловушек прост (рис. 10.5.4ж, з). Это цепочки из неких элементарных "стохастизирующих ячеек". Такие ячейки имеют два отвер- стия, через которые частицы могут входить и выходить. При этом, войдя в ячейку, частица "забывает", где вошла и с равной вероятностью может выйти через любую из двух. В результате начинается блуждание вдоль цепочки, и время жизни частицы в ловушке из N ячеек будет tn~N2. A0.5.4) Впервые идея этих ловушек была высказана А. И. Морозовым около 1961 года. Позд- нее Г.М. Будкером A969 г.) такие ловушки были реализованы в многопробочных 10.5. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС) 535 (гофрированных) полях. Для обеспечения стохастизации в качестве ячейки исполь- зовались либо короткие пробкотроны, длина которых ^ pi — ионного ларморовского радиуса (ловушка ЭСПЛ, А. И. Морозов) О, либо ячейки с очень плотной плазмой, при которой длины свободного пробега А ~ L — длины ячейки (ловушка "Гол" Будкера [271]). Ловушки с двухсвязным плазменным объёмом. Это тороиды различной конфи- гурации, магнитные поля которых состоят из вложенных друг в друга магнитных поверхностей (рис. 10.5.5). 120° 120° Рис. 10.5.5. Схемы тороидальных ловушек: а — токамаки, б — стеллараторы, в — компактные торы; г — ловушка "Дракон" (две проекции) При наличии осевой симметрии, как об этом подробно говорилось в разделе 1.1, такие магнитные конфигурации в камере можно сделать только с помощью катушек, создающих азимутальное магнитное поле, и азимутального электрического тока. Если ток течет по плазме, находящейся в камере, то системы именуются токамаками и до настоящего времени остаются объектами наиболее интенсивных финансовых вложений и наиболее детальных конструкторско-технологических проработок, хотя утверждать, что именно они войдут в будущую термоядерную энергетику, никак нельзя. Тем не менее мы им посвятим следующий п. 10.5.4. Полоидальная катушка \ Криостат Вакуумная камера Рис. 10.5.6. Схема стелларатора LHD Винтовая катушка "риогенная опорная Опора стойка 1) См. в [263] 536 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий Протекание сильных токов по тороидальному плазменному шнуру создает ряд трудностей с устойчивостью плазменной конфигурации и'необходимостью годами (если речь идет о промышленных установках) поддерживать ток в плазменном торе. Поэтому все больший интерес вызывают ловушки, в которых конфигурация вложенных магнитных поверхностей создается внешними по отношению к плаз- ме "винтовыми" проводниками. Однако такие системы лишены осевой симметрии и магнитные "поверхности" оказываются слегка размытыми. Эти системы имеют собирательное название "стеллараторы" или "геликоидальные ловушки". Фрагменты их теории рассмотрены в п. 1.7.2. Наиболее крупной установкой этого типа является японская установка LHD (large helicoidal device) со сверхпроводящей магнитной системой. Схема рабочей зоны этой ловушки изображена на рис. 10.5.6. Вот некоторые ее параметры.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Схемы ловушек» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
