Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 170
Текст из файла (страница 170)
Иными словами, обмен теплом между различными жидкостями плазмы есть процесс более медленный, чем установление равновесного состояния каждой из этих жидкостей в отдельности. Поэтому пока не наступило полное термодннамическое ранновесие плазмы, электронной и ионной компонентам можно приближенно приписать определенные температуры, вообще говоря, не совпадающие между собой.
Не входя нн в какие подробносгн, ограничимся простейшим примером. Пусть плазма заполняет бесконечно длинный цилиндр, параллельно оси которого в ней течет электрический ток д (такая конфигурация называется плазменны шнуром). Последний возбуждает магнитное поле Н, которому соответствует магнитное давление Нг/8к (см.
т. 111, 6 72). Если на поверхности цилиндра оно превосходит газокинетическое давление 'Хп*кУ (мы применим одножидкостную модель), то плазменный шнур будет сжат — это явление называется линч-эффектом. Для равновесия плазменного шнура необходимо, чтобы ва его поверхности магнитное давление Н~/8к уравновешивалось газокинстическим давлением 2пИТ. Однако такое равновесие будет крайне неустойчиво.
Действительно, допустим, что по случайным причинам на шнуре возникло небольшое сужение (перетяжка). В силу большой проводимости высокотемпературной плазмы магнитный поток через поперечное сечение шнура сохранигся (см. т. Ш, 6 71), чак что магнитное давление на суженную часть шнура увеличится.
Рнс. 169 Правда, в суженной части возрастет и газокине- тическое давление. Но это вызовет только перетекание части плазмы в более широкие участки плазменного шнура. Поэтому под дейсгвием возросшего магнитного давления перетяжка на шнуре усилится, т.е. равновесие будет неустойчиво по отношению к такого рода возмущениям (рис.169). Но равновесие плазменного шнура неустойчиво и по отношению к его малым изгибаниям. Это й 98) Термоядерная проблема 665 видно из рис. 170 — на вогнутой стороне шнура магнитное поле, а с ним и магнитное давление больше, чем на выпуклой. Рис. 170 В плазме существует и много других типов неустойчивостей.
Природа многих из них может быть понята на основе гидродинамических моделей, но есть и такие неустойчивости, для понимания которых требуется кинетическое рассмотрение. На всех этих специальных вопросах, далеко выходящих за пределы настоящего курса, мы останавливаться не можем. Заметим лишь, что крайняя неустойчивость плазмы во всех магнитных полях простой геометрической конфигурации создает главную трудность, которую надо преодолеть на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Для преодоления указанной трудности идут по пути усложнения конфигурации и напряженности магнитных полей.
Магнитные поля создаются не только токами, текущими в плазме, а главным образом внешн ми истпочниками. Не входя в детали, заметим, что удерживающее и стабилизирующее действие магнитных полей основано, в частности, на высокой электрической проводимости плазмы. Из-за высокой проводимости магнитный поток через любой замкнутый контур, состоящий из одних и тех же частиц, остается практически постоянным при любом движении плазмы (см.
т. Ш, 9 79). Это утверждение называется вмороженностью магнитных силовых линий в плазму Кроме того, вдоль магнитных силовых линий существует на лжение (см. там же 9 72); силовые линии ведут себя подобно натянутым струнам. Оба эти фактора способствуют удержанию и стабилизации плазмы. Особенно наглядно это проявляется при устранении случайно возникших изгибов плазменного шнура. 11. Из различных магнитных ловушек в настоящее время специалисты считают наиболее перспективной ловушку, называемую тока- маком (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками»). Она была предложена и наиболее полно изучена экспериментально и теоретически в Институте атомной энергии в Москве группой физиков, возглавлявшейся Л.А.
Арцимовичем и М.А. Леонтовичем, а позднее Б.Б. Кадомцевым (р. 1928). И в других странах, ведущих исследования по управляемому термоядерному синтезу (С!ПА, Япония, страны Евратома), в настоящее время отдаегся предпочтение токамакам. Естественно, что в курсе общей физики можно коснуться, и притом в общих чертах, только принципа действия токамака, опуская все Нейтроны и деление атомньее ядер [Гл. Х!Н конструктивные детали и инженерные вопросы. Основной частью токамака является тороидальнал вакуумная камера, в которую вводится дейтерий (а в дальнейшем, когда от экспериментальных токамаков перейдут к сооружению энергетических реакторов, будет вводиться смесь дейтерия с тритием).
Иными словами, камера представляет собой трубу, свернутую в кольцо. Радиус окружности вдоль оси этого кольца Н называется большим радиусом тороидальной камеры. Через отверстие кольца создается магнитный поток. При его изменении во времени возбуждается параллельное оси трубы вихревое электрическое поле. Происходит электрический пробой, образуется плазма, и в кольцевой камере начинает циркулировать электрический ток.
Такой ток нагревает плазму и возбуждает магнитное поле Н , силовые линии которого отжимают плазму от внеепних стенок тороидэльной камеры, формируя кольцевой плазменный шнур. Радиус поперечного сечения этого шнура а называется малым радиусом тороидальной камеры. Несущественно, будет ли ток в плазменном шнуре постоянным (одного направления) или переменным, направление которого периодически меняется.
Поэтому описанный индукционный способ возбуждения электрического тока в токамаке не является единственно возможным. Возможен и безындукционный способ. Можно, например, ввести в плазму электромагнитные волны определенной частоты такие, что они вызовут движение электронов вдоль тороидального магнитного поля (см. следующий абзац), создаваемого внешними источниками. Опыты, поставленные в Японии, свидетельствуют о перспективности такого способа возбуждения тока. Его преимущество, вероятно, состоит в том, что он позволит поддерживать ток в торе токамака более длительное время, чем индукционный способ, Для удержания и стабилизации плазменного шнура используются гаороидальное и полоид льное магнитные поля, создаваемые внешними источниками.
Сильное тороидальное магнитное поле Но направлено параллельно току в тороидальной камере и создается катушками, намотанными на тор. Как показывает теория, для магнитогидродинамической устойчивости плазмы должен выполняться так называемый критерий П!афранова (р. 1929)-Круехала (р. 1925): (98.9) Неа > Н„Л. Относительно слабое полоидальное поле Нг и Нта(К перпендикулярно к центральной плоскости симметрии тороидальной камеры. Оно создается проводами, расположенными вдоль тора. Такое поле необходимо для удержания плазменного шнура в равновесии и удаления продуктов реакции из плазмы.
Плазма в токамаке, как уже было сказано, нагревается протекающим по ней током. Для дополнительного нагревания используются переменные электромагнитные поля, а также инжекция быстрых нейтральных атомов. Важным параметром токамака является отношение газокинетического давления плазмы,У к магнитному давлению На)8п.
Его принято обозначать через г8: )1 = 8х,оэ/Н . Теория показывает, что Д не 4 98) Термоядерная проблема 667 должно быть большим, так как в противном случае плазма становится неустойчивой. С другой стороны, для экономически оправданного энергетического реактора значение,З должно составлять не менее 5%.
К настоящему времени в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова на токамаке Т-11 достигнуто значение 1д = 3%, а в США на токамаке «Дублет-П!» с эллиптическим сечением плазменного шнура — значение ,8 = 4,5%. 12. Для уменыпения энергетических потерь на создание сильного магнитного поля Н (50 — 60 кГс и выше) предполагается использовать обмотки из сверяпроводлшик сплавов с высокими значениями критического поля Н, при котором начинается разрушение сверхпроводимости (см. т.
1П, 9 80). Этот метод был впервые испытан в СССР на установке Т-7, в которой применялся сплав из ниобия с танталом при гелиевых температурах. В установке Т-15, сооружаемой в нашей стране, предполагается использовать сплав ниобия с оловом. Решение проблемы высокотемпературной сверхпроводимости произвело бы революцию в криогенной технике, в частности при создании сверхсильных магнитных полей. В этом направлении ведутся интенсивные исследования в СССР, США, Японии и других странах. К концу 1986 г. появились сообщения, что получены материалы, становящиеся сверхпроводящими при температуре не только жидкого азота, но и при температурах, близких к комнатной.
Сейчас же заметим, что получение сверхсильных магнитных полей предъявляет очень высокие требования к механической прочности сверхпроводящих катушек (уже при Н = 50 кГс магнитное давление Н (8п будет порядка 10 атм, а при Н = 150 к!'с — порядка 10з атм). 13. В общем курсе физики нет смысла приводить подробные научнотехнические сведения о состоянии проблемы УТС. Всякие сведения такого рода могут устареть уже к моменту выхода настоящей книги.
Ограничимся поэтому только некоторыми произвольно выбранными данными о токамаках и результатах, полученных на них. Самым крупным из действующих отечественных токамаков является токамак Т-10, запущенный в 1975 г. в Институте атомгюй энергии (Москва). Тороидальное магнитное поле в нем Но 50 кГс, обьем плазмы -- 5 мз (Гг = 150 см, а = 39 см), ток в плазме около 800 кА, Т=12 107К,т-007с,п-8 10шсм з,пт=б 10зсм з с).
В 1979 г. там же был запущен токамак Т-7 с параметрами, близкими к параметрам токамака Т-10, но со сверхпроводящнми обмо гками. Там же при экспериментальных исследованиях на токамаках было выяснено, что время удержания т быстро возрастает с увеличением объема плазмы приблизительно пропорционально ай~. На токамаке ТРТВ (С!!!А), запущенном в 1983 г., достигнуто рекордное значение т = 0,19 с (Ге = 248 см, а = 85 см, Но = 52 кГс, ток в плазме — 2,5 МА, мощность дополнительного нагрева инжекцией быстрых атомов 33 МВт, стоимость установки 314 млн долларов).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
