Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ

ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ

ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ - разновидность магнитныхловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, <ограниченном в направлении вдоль поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, <стеллараторов), имеющих форму тороида, для О. л. характерна линейная геометрия, <причём силовые линии магн. поля пересекают торцевые поверхности плазмы(с последним обстоятельством и связано происхождение термина "О. л." -они "открыты" с торцов).

О. л. имеют ряд потенц. преимуществ посравнению с замкнутыми: они проще в инженерном отношении, в них более эффективноиспользуется энергия удерживающего плазму магн. поля, легче решается проблемаудаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, мн. <разновидности О. л. могут работать в полностью стационарном режиме. Однаковозможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основеО. л. требует ещё эксперим. доказательств.

Пробкотрон - наиб. распространённый типО. л. (рис. 1, а). Предложен в нач. 1950-х гг. независимо Г. И. <Будкером и Р. Постом (R. Post). Участки сильного магн. поля на концах этойловушки удерживают плазму, поэтому их наз. магн. пробками.

Рис. 1. Различные типы открытых магнитныхловушек (точками показана плазма): а - пробкотрон; б - амбиполярнаяловушка ( О - длинный центральный пробкотрон, .- короткиеконцевые пробкотроны); в - антипробкотрон (0 - куль магнитного поля, А- осевая щель, В - кольцевая щель); г - многопробочнаяловушка.

Удержание частицы в пробкотроне обусловленоадиабатич. инвариантностью её магн. момента, имеющей место в условиях, <когда ларморовский радиус частицы мал по сравнению с масштабом изменениямагн. поля (см. Адиабатические инварианты). В нерелятивистском приближениимагн. момент частицы где Н - напряжённость магн. поля, а т и - масса и перпендикулярная магн. полю составляющая скорости частицы. Изадиабатич. инвариантности и закона сохранения энергии частицы следует, что при условии (где Н _макс - макс. значение магн. поля в пробках) частицаотражается от пробок и совершает финитное движение внутри ловушки.

Если обозначить индексом "0" значениявсех величин в минимуме магн. поля, то условие можно записать в виде

Величину R наз. "пробочным отношением".Из условия (1) следует, что при данном соотношении полей Н _макс и Н₀ в ловушке удерживаются только те частицы, векторскорости к-рых лежит в пространстве скоростей вне "конуса потерь" [конусас осью, параллельной магн. полю, и с углом при вершине =

В осесимметричном пробкотроне плазма, <как правило, подвержена желобковой неустойчивости, приводящей кпросачиванию плазмы поперёк магн. поля в виде узких языков. Неустойчивостьвозникает потому, что в таком пробкотроне модуль магн. поля спадает в радиальномнаправлении, а плазме энергетически выгодно перемещаться в область слабогоноля. Для стабилизации желобковой неустойчивости применяются неосесимметричныемагн. поля, имеющие абс. минимум Н в области удержания.

Пробкотроны заполняют горячей плазмой, <инжектируя быстрые атомы водорода. Проникая поперёк магн. поля в плазму, <они захватываются там вследствие ионизации и перезарядки и обеспечиваютподдержание материального и энергетич. баланса плазмы. Таким методом впробкотроне 2ХПВ в Ливерморской лаборатории (США) в 1976 получена квазистационарнаяплазма с плотностью ~10¹⁴ см ^-3 и темп-рой ионов Т _i10⁸ К.

Упругие столкновения ионов плазмы другс другом приводят к их рассеянию, попаданию в конус потерь и выходу изпробкотрона. Расчёты показывают, что определяемое этим процессом время жизни плазмы в пробкотроне может быть оценено по ф-ле

где - время рассеяния иона на угол порядка единицы. Эта оценка справедливав условиях, когда длина пробкотрона мала по сравнению с длиной свободногопробега ионов

Время рассеяния электронов очень мало по сравнению с и поэтому ф-ция распределения электронов близка к максвелловской. В частности, <она изотропна, т. е. значит. часть электронов находится в конусе потерьи могла бы вылететь из ловушки через пробки. В таких условиях квазинейтральностьплазмы обеспечивается возникающим в ней амбиполярным электрич. полем, препятствующимпотерям электронов. Распределение амбиполярного потенциала вдоль нек-ройсиловой линии магн. поля даётся ф-лой

где Т _е- темп-pa электронов, п- локальная плотность плазмы. Амбиполярное электрич. поле приводитк нек-рому ухудшению удержания ионов.

К большому дополнит. уменьшению временижизни ионов приводит их рассеяние на надтепловых флуктуациях электрич. <поля, к-рые могут возникать вследствие анизотропии ионной ф-ции распределения(анизотропия связана с отсутствием ионов в конусе потерь). Относительномалое время жизни в пробкотроне делает перспективы применения таких системв качестве термоядерных реакторов не слишком благоприятными. В связи сэтим в разное время было предложено неск. усовершенствованных типов О. <л., основанных на идее пробкотрона.

Амбиполярная ловушка. Одна из возможностейповышения времени удержания ионов связана с использованием амбиполярногоэлектрич. поля. К длинному пробкотрону О (рис. 1, б )с плазмойумеренной плотности с каждой стороны присоединяется по короткому пробкотрону 1,в к-рых с помощью интенсивной инжекции высокоэнергетич. нейтральных атомовподдерживается высокая плотность плазмы. Тогда в соответствии с (3) междуцентральным и крайними пробкотронами возникает разность потенциалов, равная( Т _е/е)1п( п ₁/п ₀), и для ионовцентр. пробкотрона появляется эл.-статич. потенц. яма. При достаточно большомперепаде плотности глубина ямы будет столь велика, что потери ионов изцентр. пробкотрона станут пренебрежимо малыми. Разумеется, поддержаниевысокой плотности плазмы в концевых пробкотронах требует определ. энергетич. <затрат, но эти затраты не зависят от длины центр. пробкотрона. А т. к. <мощность термоядерного энерговыделения в нём пропорц. его длине, то, делаяцентр. пробкотрон достаточно длинным, можно обеспечить положит. энергетич. <баланс системы в целом.

Рис. 2. Схема амбиполярной ловушки ТМХ:.- аксиально-несимметричная обмотка концевого пробкотрона, обеспечивающаяминимум магнитного поля Н на оси; 2 - обмотки центральногосоленоида; 3 - переходные обмотки; 4 - плазма;5 - инжекторынейтральных атомов. Характерная "веерная" форма плазмы вблизи концов установкиобусловлена свойствами магнитного поля установки. В центральном соленоидесечение плазмы круглое.

В экспериментах на ряде амбиполярных ловушекв кон. 70-х - нач. 80-х гг. было показано, что амбиполярное удержание ионовцентр. пробкотрона действительно существует. При создании нужного распределенияплотности время жизни ионов центр. пробкотроиа возрастало в ~ 10 раз посравнению с оценкой (2). Параметры плазмы центр. пробкотрона были при этомдовольно умеренными (в установке ТМХ, схема к-рой приведена на рис. 2,T_i~ 100 эВ, n_i~10¹³ см ³).

Трудности повышения параметров плазмыв амбиполярных ловушках связаны гл. обр. с возможностью усиленного рассеянияионов концевых пробкотронов на надтепловых флуктуациях.

Неосесимметричные магн. поля, используемыедля стабилизации желобковой неустойчивости, могут быть источником усиленногопоперечного переноса плазмы, напоминающего неоклассич. перенос в замкнутыхловушках. Поэтому необходимо отыскать топологически несложные осесимметричныемагн. конфигурации, в к-рых плазма была бы устойчива по отношению к желобковымвозмущениям.

Т. н. антипробкотрон, возникающий при"встречном" включении двух соосных магн. катушек (рис. 1, в), -одна из обладающих таким свойством конфигурации.

Модуль магн. поля в этой ловушке обладаетабс. минимумом в центре системы, но этот минимум равен нулю. Соответственно, <вблизи центра антипробкотрона нарушается адиабатич. инвариантность и плазма из этой области быстро теряется вдоль силовых линий. Для устраненияэтих потерь можно использовать в осевой А и кольцевой В щеляхантипробкотрона систему спец. электродов, предотвращающих потери электронов. <Удержание ионов будет тогда обеспечено собств. амбиполярным потенциаломплазмы. Техн. ограничения затрудняют экстраполяцию этой схемы к реакторнымпараметрам плазмы. Возможно, антипробкотроны найдут применение в качествестабилизирующего элемента в амбиполярных ловушках.

Совсем др. возможности увеличения времениудержания связаны с переходом к О. л. с длиной L, превышающей длинусвободного пробега ионов. Пример систем такого типа - многопробочная ловушка(МПЛ), предложенная в нач. 70-х гг. Установка имеет вид цепочки связанныхмежду собой пробкотронов (рис. 1, г), причём длина каждого меньше .В такой О. л. время жизни плазмы возрастает в раз по отношению к оценке (2).

Др. установка, относящаяся к этому классу,- т. н. газодинамич. ловушка (ГДЛ), представляющая собой пробкотрон с большимпробочным отношением (R =50 - 100) и с длиной L >/R. Времяжизни плазмы в ГДЛ в LR/разбольше оценки (2). Особенность ГДЛ состоит в том, что желобковая неустойчивостьв ней может быть подавлена даже в простой осесимметричной конфигурациимагн. поля.

Достоинством О. л. с L >IR (МПЛ, <ГДЛ) является то, что продольные потери плазмы из них не зависят от микрофлуктуаций, <недостатком - то, что длина таких установок (в реакторном варианте) относительновелика.

Лит.: Чуянов В. А., Адиабатическиемагнитные ловушки, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т.1, ч. 1, М., 1980; Чириков Б. В., Динамика частиц в магнитных ловушках, <в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 13, М., 1984; Рютов Д. Д., Ступаков Г. <В., Процессы переноса в аксиально-несимметричных открытых ловушках, тамже; Пастухов В. П., Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатическихловушках, там же; Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН", 1988, т. 154, с.565.

Д. Д. Рютов.