Основные успехи в области управляемого ядерного синтеза связаны с удержанием горячей плазмы сильными магнитными полями. Системы магнитного удержания разделяются на торои- тороидальные и открытые конфигурации. Удержание в прямой пробоч- пробочной ловушке (разд. 17.3) может быть более эффективным, чем тороидальное удержание, с точки зрения устойчивости и ано- аномальной диффузии поперек магнитного поля. Однако характер- характерные для таких систем концевые потери (т. е. потери частиц, покидающих плазму вдоль магнитных силовых линий) определя- определяются только диффузией в пространстве скоростей, так что время удержания нельзя увеличить за счет повышения напряженности магнитного поля или увеличения размеров плазмы. Необходимо изыскивать какие-то способы подавления концевых потерь. Тороидальные системы не имеют открытых концов. В простом тороидальном поле ионы и электроны дрейфуют в противополож- противоположных направлениях из-за градиента магнитного поля. Этот гра- градиентный дрейф является причиной разделения зарядов, которое индуцирует электрическое поле, параллельное главной оси тора. Результирующий Е х В-дрейф в скрещенных полях стремится растянуть плазменное кольцо. Для того чтобы уменьшить этот дрейф, необходимо связать верхние и нижние части плазмы маг- магнитными силовыми линиями и «закоротить» разделенные заряды вдоль этих силовых линий. Поэтому для равновесия тороидаль- тороидальной плазмы наиболее существенной является полоидальная ком- компонента магнитного поля, в связи с чем тороидальные устройства могут быть классифицированы по способу получения этого поля. В токамаке (гл. 16) и пинче с обращенным магнитным полем (разд. 17.1) используется ток, текущий по плазме вдоль тора. В стеллараторе (разд. 17.2) нужное вращательное преобразова- преобразование обеспечивают внешние винтовые проводники или эквива- эквивалентные обмотки. Кроме систем с магнитным удержанием плазмы в настоящее время активно развиваются системы с инерционным удержанием. Гл. 15. История термоядерных исследований 265 Если создать плотную и горячую плазму за очень короткое время, то реакции ядерного синтеза могут успеть завершиться до того, как плазма начнет расширяться (из-за инерции частицы плазмы не могут разлететься мгновенно — отсюда термин «инер- «инерционное удержание»). Самым экстремальным примером процес- процессов такого рода служит водородная бомба. В лабораторных экс- экспериментах мощный лазерный пучок или пучок частиц фоку- фокусируются на небольшую дейтерий-тритиевую мишень, создавая таким образом очень плотную и горячую плазму за малое время. Это направление весьма перспективно в связи с активным раз- развитием технологий создания мощных энергетических устройств. Инерционное удержание обсуждается в гл. 18 подробнее. Классификация различных путей получения управляемого термоядерного синтеза, активно развиваемых в настоящее время, выглядит следующим образом: Магнитное удержание Тороидальные системы Аксиально симметричная Аксиально несимметричная Токамак Пинч с обращенным полем (RFP) Сферомак Стелларатор Гелиак Гофрированный тор Открытые системы Инерционное удержание Пробкотрон, амбиполярная ловушка Конфигурация с обращенным полем (FRC) Касп Лазер Ионный пучок, электронный пучок От секретности к международному сотрудничеству Основные исследования в области управляемого термоядер- термоядерного синтеза были начаты, по всей вероятности, сразу после Второй мировой войны в Соединенных Штатах, в Советском Союзе и в Великобритании в условиях строгой секретности (по поводу их начала уже в 1940-х годах имеется довольно много спекуляций). Программа Соединенных Штатов, названная Проект Шервуд, в деталях описана А. Бишопом [1]. Бишоп утверждает, что в Лос-Аламосе проводились эксперименты с ли- линейными и тороидальными Z-пинчами, в которых были сделаны попытки преодолеть «сосисочную» и винтовую неустойчивости. В 1951 г. астрофизик Л. Спитцер начал в Принстоне разработку стелларатора в виде восьмерки. В Ливерморской национальной лаборатории проводились эксперименты с удержанием плазмы в открытой ловушке. В Управлении по исследованиям в области 266 Гл. 15. История термоядерных исследований атомной энергии (Харуэлл, Великобритания) начались экспери- эксперименты на установке ZETA [2], а в Советском Союзе в Институте атомной энергии — эксперименты на открытой ловушке Огра и токамаках 0 (см. [3]). В 1955 г. в Женеве была проведена Первая международная конференция по мирному использованию атомной энергии. Пред- Председатель этой конференции, посвященной в основном мирному применению энергии деления, X. Д. Баба рискнул предположить, что пути получения индустриально применимой контролируемой реакции синтеза будут найдены меньше чем за два десятилетия. Однако исследования в области управляемого ядерного синтеза столкнулись с серьезными непредвиденными трудностями. Очень скоро было признано, что практическая реализация термоядер- термоядерного реактора займет долгое время и что абсолютно необходимы фундаментальные исследования по физике плазмы и открытый международный обмен научными данными. В это же время ста- статьи по управляему ядерному синтезу начали появляться доста- достаточно регулярно в научных журналах. В январе 1957 г. была опубликована статья Лоусона об условиях синтеза [4]. Появи- Появились также несколько важных работ по теории МГД неустойчи- востей [5, 6]. В январе 1958 г. были опубликованы результаты экспериментов на установке ZETA[7] (Zero Energy Thermonu- Thermonuclear Assembly) и стеллараторе [8]. На Второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии, ко- которая проходила в Женеве с 1 по 13 сентября 1958 г. [9, 10], было представлено большое количество рассекреченных работ. Л. А. Арцимович выразил свое впечатление от конференции как от «выставки идей». Вторая конференция дала старт открытому соревнованию и сотрудничеству в области синтеза. В Японии исследования управляемого синтеза начались в на- начале шестидесятых в Японском исследовательском институте атомной энергии (JAERI) Министерства науки и технологий и в Институте физики плазмы Университета Нагойи Министерства образования и культуры [11]. Первая международная конференция по физике плазмы и ис- исследованиям в области управляемого ядерного синтеза была про- проведена в Зальцбурге в 1961 г. при содействии МАГАТЭ. На этой конференции [12] детально обсуждались крупные проекты, такие как ZETA, Альфа, стеллараторС, Огра и DCX. Эксперименты !) Эксперименты на токамаках в Институте атомной энергии им. И. В. Кур- Курчатова ведутся с начала 1950-х годов, на ловушках семейства Огра — с 1958 г., а эксперименты на установке ZETA были начаты в 1957 г. — Примеч. ред. Гл. 15. История термоядерных исследований 267 с тета-пинчем (Scylla, Thetatron) стали более популярными, чем с линейными пинчами. Все статьи, касающиеся больших экспе- экспериментальных проектов, таких как ZETA или стелларатор С, бы- были посвящены борьбе с различными неустойчивостями. Л. А. Ар- цимович сказал в заключении по поводу экспериментальных результатов: «Наше убеждение, что двери в желанную область ультравысоких температур легко откроются, так же безоснова- безосновательно, как надежда грешника попасть в рай, минуя чистилище». Была широко признана важность экспериментов, проведенных М. С. Иоффе и др. на установке ПР-2 (том. 3, с. 1045). Эти эксперименты продемонстрировали, что плазма, удерживаемая в конфигурации с минимумом S, является МГД устойчивой. Вторая международная конференция по физике плазмы и ис- исследованию управляемого ядерного синтеза проходила в Калэме в 1965 г. [13] Стабилизирующий эффект минимума В был под- подтвержден многими экспериментами. В тороидальной конфигура- конфигурации нельзя получить абсолютный минимум В. Была сформулиро- сформулирована концепция среднего минимума В (см. [13], т. 1, с. 103, 145). Окава и др. смогли получить время удержания плазмы в торои- тороидальной магнитной конфигурации больше бомовского (см. [13], т. 2, с. 531) и продемонстрировали эффективность среднего ми- минимума В. Арцимович и др. представили серию экспериментов на токамаках (Т-5, т. 2, с. 577; Т-3, с. 595; Т-2, с. 629; ТМ-2, с. 647; ТМ-1, с. 659). Также были представлены результаты продолжаю- продолжающихся экспериментов на ZETA и стеллараторе С. Однако време- времена удержания плазмы в этих больших установках все еще были порядка бомовского, что требовало аккуратных исследований ме- механизмов потерь. Интересно выглядели результаты эксперимен- экспериментов на тета-пинчах. Ионная температура, полученная в пинчах, составляла от нескольких сотен эВ до нескольких кэВ, и вре- время удержания ограничивалось лишь концевыми потерями. Тем самым, одна из главных целей в экспериментах с тета-пинчами была достигнута, что послужило поворотной точкой от линейных тета-пинчей к тороидальным. К этой конференции была подтверждена эффективность кон- конфигураций с широм, с минимумом 5 и со средним минимумом В. Изучены экспериментально и поняты теоретически многие МГД неустойчивости. Постепенно становились яснее методы борьбы с МГД неустойчивостями. Была осознана важность кинетиче- кинетических неустойчивостей, связанных с немаксвелловостью функ- функции распределения. Выявлен ряд неустойчивостей этого рода: конусные [14], неустойчивость Харриса [15] A959), дрейфо- дрейфовые [16] A963, 1965) и др. В эксперименте Малмберга и Уортона 268 Гл. 15. История термоядерных исследований (см. [13], т. 1, с. 485) было впервые подтверждено существование затухания Ландау. Л. Спитцер завершил свою речь на закры- закрытии конференции в Калэме следующими словами: «Нами было преодолено много препятствий, на что иногда требовались годы усилий большого числа ученых. Мы можем быть уверены, что нам осталось еще преодолеть не меньше препятствий, но мы имеем все основания надеяться на то, что мы разрешим и эти проблемы объединенными усилиями ученых разных стран».
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ИСТОРИЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» з дисципліни «Основи фізики плазми і керованого синтезу»
