Для галатей характерно то, что часть проводников, создающих магнитное поле, погружено в плазму (рис. 10.5.7). Эти погруженные проводники называют миксинами. Использование миксин позволяет создать бесщелевые "корковые ловушки" или "магнитные баллоны". Принципиальное отличие магнитных баллонов от классических односвязных и двусвязных ловушек состоит в том, что в последних магнитное поле и плазма перемешаны, тогда как в баллонах поле сосредоточено на периферии (в виде "корки"), а плазма находится в центре ловушки, где магнитного поля практически нет (рис. 1.7.1). Это различие принципиально и ведет к ряду существенных преимуществ галатей. Вот главные из них. - Плазма диамагнитна. Поэтому помещение плазмы в объём магнитного поля с точки зрения физики нежелательно, так как диамагнетики выталкиваются магнитным полем. Конечно, сейчас нашли способы преодолеть "грубое" вытал- кивание, но более изощренные формы проявления — в виде различных "сла- бых" неустойчивостей, все равно ведут к сокращению времени жизни плазмы в ловушке. В галатеях диамагнетизм, наоборот способствует удержанию, так как препятствует проникновению плазмы в "корку". - Современная ориентация на использование в качестве рабочего вещества сме- си D-T явно носит временный характер. Наиболее естественно использовать реакцию D-D, т. е. опираться только на изотоп, находящийся в воде. Но тогда, 10.5. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС) 537 как видно из графика 10.5.2, потребуется рабочая температура Т ~ 50кэВ ипт~ 1015см~3с. При такой высокой температуре резко возрастают потери на синхротронное излучение, обязанное центростремительному ускорению элек- тронов в магнитном поле. Радикальным преодолением этой трудности является переход к корковым ловушкам — магнитным баллонам. Синхротронное излу- чение вряд ли позволит эффективно работать токамакам и стеллараторам на DD, т. к. максимальное C в первом случае ~ 5%, а во втором ~ 3%. Если использовать много колец-миксин, то область, занятая магнитным полем, будет мала по сравнению с областью, занятой плазмой, т.е. мы действительно будем иметь баллоны. Такая конфигурация магнитной системы, очевидно, наиболее экономична. Однако, чтобы в корковой конфигурации резкая граница раздела плазма-поле была устойчива, эта граница должна быть "вдавлена" в плазменный объём (см. п. 8.2.1). Так получается "остроугольная конфигурация". А чтобы при этом не образовалось щелей, один выступ ("касп") должен быть замкнут на другой. В результате проводни- ки с током оказываются окруженными со всех сторон плазмой. Тонкий слой плазмы, соединяющий каспы, называют "мантией". Таким образом проводники, создающие магнитное поле, должны быть левитирующими, т. е. подвешенными на магнитном поле (рис. 10.5.8). Рис. 10.5.8. Общий вид (а) и сечение (б) ловушки "Дублон": 1 — левитирующие проводники с током, 2 — линия нулевого магнитного поля, 3 — остроугольный "основной плазменный объём", 4 — "мантия" На первый взгляд может показаться, что такая подвеска создает непреодолимые технические трудности. И такие утверждения можно найти в литературе. Однако простые оценки показывают, что это не так [263]. Рассмотрим подробнее три основ- ных возражения против магнитной подвески [263-265]. Первое из них — эта сама возможность подвески. Очевидно, чтобы токонесущая миксина "не падала", необходимо создать внешнее радиальное по отношению к мик- сине магнитное поле Нг. Если речь идет о ловушке, в которой отсутствуют ядерные реакции, то оценить величину Нг можно, учитывая только вес сверхпроводника. В этом случае имеем pgls = 0, ljlsHr. Здесь р — плотность сверхпроводника (г/см3), s — его сечения (см2), / — длина миксины (см), j — плотность тока (А/см2). Взяв типичные значения для сверхпро- водников (например NbSn) величины ~ Юг/см3, j ~ 104 А/см2, находим цт = \qPQ. по ЮЭ.(!) j Это поле очень мало по сравнению с типичными полями для ловушек УТС Н ~ ~ 104Э. Чтобы лишний раз убедиться в отсутствии проблем с собственно магнитной подвеской, отметим, что в Японии, Германии, Китае ведется опытная эксплуатация пассажирских сверхскоростных (> 500 км/час) поездов на магнитной подвеске [264]. 538 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий Не возникает принципиальных технических проблем и в случае галатей — реак- торов с УТС, в которых миксины подвергаются воздействию нейтронного и других энергонесущих потоков с характерной плотностью ~ A—2)МВт/м2. Для этого на сверхпроводящую "хорду" должна быть одета трехслойная защита. Эти слои ино- гда называют: наружный — красным, следующий — серым, третий (криозону) — голубым. Они должны быть разделены теплоизолирующими прокладками. Крас- ный слой делается из высокотемпературных материалов (графит, вольфрам и т.п.). Под действием приходящей энергии он нагревается до температур ~ 2000-2300 К и сбрасывает указанную выше мощность в виде теплового излучения. Серый слой в основном перегораживает проникающие потоки нейтронов и 7~квантов на пути к криозоне. В серой и криозонах должны находится холодильники, поддерживающие нужные температуры. То есть здесь создается система, напоминающая бытовые хо- лодильники. Энергия для них может подводиться извне с помощью, например, СВЧ- волн. Появление высокотемпературных технологичных сверхпроводников, очевидно, радикально упростит проблему поддержания хорды в сверхпроводящем состоянии. Примеры экспериментальных установок — галатей, изображены на рисун- ке 10.5.9, а на рисунке 10.5.9* приведены схемы полей этих ловушек. На рисунке 10.5.9а изображена галатея С. Иошикавы с трехкомпонентным магнитным полем, имеющая одну сверхпроводящую миксину [265]. Она близка по схеме к тороидальной ловушке А. Д. Сахарова и не является, очевидно, магнитным баллоном. На рисунке 10.5.96 показана октупольная галатея-баллон Висконсинского университета с четырьмя теплыми миксинами. Установка работает импульсно. Благодаря этому обеспечивается левитация и устойчивость миксин за счет скин-эффекта в окружающем кожухе [263]. Рисунок 10.5.9в дает представление о ловушке "Торнадо" (ЛФТИ им. А. И. Иоффе), предложенной Г. В. Скорняковым и реализованной Б. П. Перегудом [263] 0. Наконец, на рисунке 10.5.9г изображена создаваемая сейчас галатея "Диполь", предложенная Хасегавой. Эта ловушка по-сути есть модель радиационных поясов планет. Не приводя подробных данных полученных на разных галатеях, подчеркнем основной результат этих исследований. Здесь были достигнуты режимы С КЛпССи- ческими переносами (!). Начавшиеся в 1960-х годах интенсивные исследования галатей, к огромному сожалению, были прекращены в начале 70-х годов из-за веры в безусловную перспек- тивность и простоту токамаков. Но трудности, вставшие при дальнейшем развитии токамаков, стимулировали в 1990-х годах возобновление интереса к галатеям.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Многосвязные ловушки "галатеи"» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
