Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Магнитное поле, обладающее свойством «минимума В» [29].Показана одна из магнитных поверхностей с составляющими ее силовымилиниями (1). Отдельно показана магнитная обмотка, создающая поле нужной конфигурации (2). По свойствам квадрупольной симметрии магнитногопотенциала об этой конфигурации говорят как о «квадрупольной»9.1. Амбиполярные ловушкиПринцип действия амбиполярной ловушки можно пояснить следующим образом.
Представим себе пробкотрон (рис. 19, 2), к каждому концукоторого присоединено еще по одному пробкотрону (рис. 19, 1, 3). Пусть вэтих «концевых» пробкотронах путем интенсивной инжекции атомарныхпучков поддерживается плазма высокой плотности (что, разумеется, требует больших энергетических затрат). Посмотрим, как будет влиять наличие плотной плазмы в концевых пробкотронах 1, 3 на удержание ионов вцентральном пробкотроне 2. Вследствие высокой частоты электронэлектронных столкновений функция распределения электронов – максвелловская. Чтобы обеспечить локальное равенство плотности электронов иплотности ионов, в плазме возникает амбиполярный потенциал, распределение которого вдоль силовой линии определяется законом Больцмана:(9.6)eϕ ( s ) = Te ln n ( s ) + const ,48где n – плотность ионов, а Te – температура электронов плазмы.Рис.
19. К объяснению принципа действия амбиполярной ловушки. Распределение магнитного поля (сплошная линия), плотности плазмы (штриховая линия) и электростатического потенциала (пунктирная линия) вдоль длины установки: 1, 3 – два концевых, 2 – центральный пробкотронВ рассматриваемом случае распределение потенциала будет иметь вид,изображенный на рис. 19, т. е. ионы центрального пробкотрона будут находиться в потенциальной яме глубинойn (9.7)e∆ϕ = Te ln max ,n 0 где обозначения ∆ϕ , nmax и n0 указаны на рис.
19. Ионы с энергией меньшеeϕ удерживаются в центральном пробкотроне независимо от ориентациивектора их скорости. При eϕ ≥ Ti функция распределения ионов близка кмаксвелловской, и покидать ловушку могут только ионы максвелловского«хвоста». Соответственно время жизни ионов увеличивается примерно вTe eϕ n Tiexp = max Ti n0 раз по сравнению с оценкой (9.4). В принципе, повышая nmax, можно сделать время жизни ионов в центральном пробкотроне сколь угодно большим.
Разумеется, поддержание высокой плотности плазмы в концевыхпробкотронах потребует повышенных энергетических затрат, но, увеличивая длину центрального пробкотрона, всегда можно добиться того, чтобы49термоядерное энерговыделение в нем превысило эти затраты (которые,подчеркнем, не зависят от длины центрального пробкотрона).Схема амбиполярной ловушки была впервые описана в статьеГ. И. Димова, В. В. Закайдакова и М. Е. Кишеневского, опубликованной в1976 г. [5]. В 1977 г. появилась статья сотрудников Ливерморской лаборатории США с аналогичным предложением. Впоследствии в ряде лабораторий СССР, США и Японии были созданы экспериментальные установкии проведены исследования по удержанию плазмы в амбиполярных ловушках.
Наиболее важные результаты получились на установках TMX, TMX-U(США) и GAMMA-10 (Япония) [43]: было продемонстрировано формирование амбиполярных барьеров для продольного удержания (300В TMX,1,5 кэВ TMX-U, 2 кэВ Gamma-10) и получено увеличение продольноговремени жизни (9 раз TMX, 50 раз TMX-U, 1000 Gamma-10).Достижения в области улучшения продольного удержания в экспериментах мотивировали работы по созданию проектов термоядерных реакторов на основе амбиполярной ловушки. В качестве примера ниже приведены основные параметры реактора MARS, проект которого был создан вЛиверморской лаборатории США:• длина центральной секции130 м;• термоядерная мощность2600 МВт;• фактор усиления Q26;•β0,28;• температура ионов28 кэВ;• температура электронов24 кэВ;• магнитное поле в центре4,7 T;Главным достоинством проектируемых реакторов на основеамбиполярных ловушек является высокое значение параметра β(отношения давления плазмы к давлению магнитного поля).
Этообстоятельство открывает возможность использовать реакцию d,3He, вкоторой не рождаются нейтроны, но ее осуществление требует болеевысокой температуры и соответственно давления плазмы. Полнуюинформацию по физике и результатам экспериментов на амбиполярныхловушках можно получить в обзоре [6]. Рисунок 20, представляющийобщий вид установки TMX-U (Ливерморская национальная лаборатория,США), поможет читателю оценить масштаб эксперимента поамбиполярному удержанию.50Рис.
20. Общий вид установки TMX-U (Ливерморская лаборатория, США)9.2. Газодинамическая ловушкаКонцепция газодинамической ловушки (ГДЛ) родилась благодаряпопытке значительно упростить физику удержания плазмы в классическомпробкотроне.Вотличиеотпробкотрона,гдеудержаниебесстолкновительных частиц плазмы обусловлено законами сохраненияэнергии и магнитного момента, ГДЛ предназначена для удержаниястолкновительной плазмы с изотропным в пространстве скоростеймаксвелловским распределением частиц. Условие столкновительностивыражается в том, что длина свободного пробега ионов относительнорассеяния в конус потерь не превышает длину системы:λ ⋅ ln(R )L >> ii,Rгде λii – длина свободного пробега ионов относительно рассеяния на уголпорядка единицы, L – длина ловушки, R – пробочное отношение, которое вГДЛ предполагается большим (R >> 1). В этих условиях механизм удержания частиц плазмы прост и аналогичен удержанию бесстолкновительного газа в сосуде с малым отверстием.
Время удержания плазмы в такойловушке можно определить при помощи простой газодинамической оценки:51L⋅R,Viгде Vi – средняя тепловая скорость ионов, что и оправдывает название системы.Важнейшим достоинством газодинамической ловушки являетсяпростая и надежная физика продольного удержания плазмы. Продольныепотери частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости их рассеяниявнутри ловушки.
Чтобы получить нужное для реакторных приложенийвремя удержания, достаточно увеличить пробочное отношение, насколькоэто возможно, а также длину ловушки до нужных размеров. Другимдостоинством газодинамической ловушки является возможностьдостижения МГД устойчивости плазмы в рамках осесимметричнойконфигурации магнитного поля. Это возможно благодаря относительновысокой плотности плазмы, истекающей в запробочную область –расширитель, где кривизна силовых линий магнитного поля может бытьсделана благоприятной для обеспечения МГД устойчивости плазмы впробкотроне. Важно отметить, что газодинамическая ловушка обладаетеще одним очень важным достоинством, характерным для пробкотронов.Согласно результатам теоретического анализа МГД устойчивость в ГДЛсохраняется при высоких значениях относительного давления (β = 8πp⊥/B2– отношение поперечной составляющей давления плазмы к давлениюмагнитного поля), вплоть до β = 0,3–0,7.Главный недостаток ГДЛ с точки зрения реакторных приложений есть,как бывает часто, продолжение ее достоинств.
При использованиитехнически достижимых на сегодняшний день способов созданиямагнитного поля в пробках минимальная длина термоядерного реактора наоснове газодинамической ловушки превышает 1 км. Такая длина сегоднякажется слишком большой, однако принципиально не закрываетперспективы развития термоядерных реакторов на основе ГДЛ в будущем.Более того, вероятные прорывы в области технологий созданиясверхсильных магнитных полей (к примеру, достижения мегагауссныхнапряженностей с использованием теплых сверхпроводников) могли бывывести газодинамическую ловушку в безусловные лидеры с точки зренияперспектив использования в качестве термоядерного реактора.
Тем неменее, более реалистичным на сегодняшний день кажется предложениеиспользовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерногореактора с низким к.п.д. Источник нейтронов (ИН) d,t-реакции сэнергиями, близкими к 14 МэВ, и плотностью мощности потока(1-4 МВ/м2) сегодня все больше востребован сообществом термоядерныхматериаловедов, перед которыми стоит одна из сложнейших задачτ~52термоядерных исследований – поиск материалов, обладающих адекватнойнейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих d,tреакторов (п.
10). Существуют также вполне обоснованные предложенияиспользовать нейтронные источники такого типа для дожиганиярадиоактивных отходов и управления подкритичными реакторамиделения.Рис. 21. Конфигурация магнитного поля и продольное распределениеплотности ионов в нейтронном источнике на основе ГДЛЧтобы обозначить физические основы проекта источника нейтронов набазе газодинамической ловушки, а также его отличительные особенности,рассмотрим этот проект, следуя работе [30] (рис. 21). Главной частьюустановки является осесимметричный пробкотрон длиной ≈ 10 м спробочным отношением R ≈ 20, предназначенный для удержаниядвухкомпонентной плазмы.
Одна из компонент – столкновительнаямишенная плазма с изотропной в пространстве скоростей максвелловскойфункцией распределения частиц – имеет температуру электронов и ионов0,5–1,0 кэВ и плотность 2–5⋅1014 см-3. Для этой компоненты характеренгазодинамический режим удержания, так как длина пробега ионовотносительно рассеяния в конус потерь не превышает длину ловушки.Другая компонента – быстрые ионы с энергиями, лежащими в53термоядерном диапазоне – образуется в результате мощной атомарнойинжекции. Бесстолкновительный, адиабатический режим удержанияхарактерен для данной компоненты. Популяция быстрых ионов, в своюочередь, складывается из двух составляющих: дейтронов и тритонов,которые, сталкиваясь, призваны производить термоядерные реакции.Энергия атомарной инжекции при этом предполагается 65 кэВ примощности 36 МВт.
Плотность и температура мишенной плазмы, а такжеэнергия атомарной инжекции находятся в таком соотношении, чтохарактерное время торможения быстрых ионов оказывается многоменьшим, чем характерное время рассеяния на угол порядка 1. Атомарнаяинжекция предполагается наклонной с углом около 30о к оси установки.При этом быстрые ионы, совершая продольные колебания междумагнитными пробками, сохраняют малый угловой разброс, характерныйдля инжектированных атомарных пучков. В этих условиях вблизиобластей отражения частиц – магнитных пробок продольный профильплотности быстрых ионов, а следовательно, и профиль плотности потоканейтронов за счет термоядерных реакций оказываются пикированными,сами величины плотности ионов и потока нейтронов во много разпревышают соответствующие параметры в центральной плоскостиловушки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
