г

- 8 -

40 п| f А, 25wo*.

(1.4)

J-l/3

где Т - температура, К.

Зная интенсивности рермоядерных реакций, мокно рассчитать плотность мощности или удедьнуд мощность термоядерного реактора (полезную мощность, выделяющуюся в единице объема реактора)

(1.5)

где 6

числовой

- энергия, выделяемая в одном акте синтеза, оС мнокитель ( 0( = 1/2 для реактора, работающего на чистом дейтерии; = 1/4 для реактора, работающего на равноком-понентной омеСИ дейтерия и трития).

Формула (1.5) носит оценочный характер, так как, например, в реакторе, работающем на чиотом дейтерии, образуются тритий и

Не и вдут не только J)~D , но и D-T реакции, что существенно оказывается на энергетическом выходе. Однако идея расчета плотности мощности остается прежней и хорошо иллюстрируется формулой (1.5). Из нее следует, что плотность мощности зависит от преимущественного типа реакции, плотности и температуры плазмы. Примеры таких зависимостей приведены на рис.1.6 (кривая I соответствует D-D реакции при температуре 10 кэВ; кривая 2 -D -l) реакции при температуре 100 кэВ; кривая 3 - D -Т реакции при температуре 10 кэВ; кривая 4 - В -Т реакции при температуре 100 кэВ). Из этих данных видно, что представляющее практический интерес энергсвыделение начинается при плотностях плазмы 10° - 10 м 3 и температурах 10 кэВ (10 К).

10 ю to .3

Плотность дейтерал, М

Рис.1.6

1.2. Удеркание плазмы. Пптери энергии

Таким образом, задача создания термоядерного реактора сводится, по крайней мере в первом приближении, к получению и удержанию в ограниченном объеме достаточно плотной и высокотемпературной плазмы. Причем для нагревания плазмы до высоких температур нужен не очень большой вклад энергии, так как достаточно плотная плазма представляет собой по нашим обычным понятиям разреженный газ (например, в водородной плазме о И. = lOI м-3 при Т = 10® К плотность энергии достигает величины всего 4 Дж.см ).

Основная трудность состоит в том, что необходимо поддерживать высокую температуру в течение времени, достаточного для сгорания заметной доли топлива, т.е. необходимо вложить энергию в плазму раньше, чем она будет шнесена на стенки реактора.

Существуют два различных способа, позволяющих реализовать это Условиз. Первый способ состоит в кратковременном сжатии дейтерие-во-тритиевой смеси мощными пучками света,заряженных частиц (инер-

еюгелвн йнниоац

эихвжо эох -oahHKBHHtfoeBJoa.HHJBH

пнои эгагэхвх

ННОИ 3HHJ3f

HHodiH3ife

KMoutecir aHHoahHHBHHtfoeBj

йоиевга

Hoaataorelireda о имш^оу

иншЛаои эиноэп -HiBioodiaaireoiHiLrefj

HxmXaoir aramopoduojoi

иитХяо1г arffldHifOUHpwv

иишЛяо1г эиноэьиоовку

*\ HdoJ. eнннeaodиd[фoJ

Hdoi эпнлметшол!

иьнии

энннваос1иеи1ГИ9В1о

ndoiwlBinraio

инятемо!

о

ционное удержание плазмы) или импульсным магнитным полем. При эти происходит нагрев топливной смеси, а энергетическое время жизни определяется временем свободного разлета нагретой плазмы. Второй способ состоит в достаточно длительном поддержании равновесного состояния разреженной высокотемпературной плазш, изолированной от стенок с помощью магнитного поля (магнитное удержание плазмы).

В рамках как магнитного, так и инерционного удержания плазмы существуют несколько направлений и, следовательно, несколько типов систем, которзе могут быть положены в основу концепции термоядерного реактора.Каждая из них имеет свои особенности и различный уровень проработки.

На рис.1.7 представлена сложившаяся к настоящему времени структура направлений научных исследораний в области управляемого термоядерного синтеза. Системы с магнитным удержанием плазмы делятся на квазистационарные, допускащие длительное стационарное удержание плазмы, и импульсные, в которых процесс удержания плазмы принципиально не стационарен. В дальнейшем мы будем рассматривать квазистационарные системы о магнитным удержанием.

Сильные магнитные поля позволяют осуществить термоизоляцию плазмы, т.е. изолировать плазму от стенок и ограничить уход из нее части энергии (магнитное поле не снижает потери энергии, обусловленные излучением и нейтронами). Это становится возможным благодаря тому, что при высоких температурах в плазме существуют лишь заряженные частицы - ионы и электроны, которые движутся в магнитном поле по винтовым траекториям вдоль силовых линий поля. Если силовые линии ориентированы параллельно стенкам реактора, то выход частиц на стенку из зоны реакции поперек магнитного поля будет сильно затруднен и поток энергии, выносимый заряженными частицами, резко уменьшится. Существуют две основные конфигурации магнитного поля для удержания (изоляции) плазмы - откдатые и замкнутые магнитные системы.В замкнутей системе силовые линии не выходят из объема, занятого плазмой, образуя замкнутые магнитные поверхности, В открытой магнитной системе силовые линии выходят за пределы системы,но уход заряженных частиц из объема, занятого плазмой, предотвращается нарастанием величины магнитного поля.

Существует множество разнообразных структур магнитного поля замкнутой и открытой конфигураций. Некоторые типы магнитных систем могут служить основой проекта термоядерного реактора.

Компактные торы - сжатые к главной оси тороидальные плазменные образования, которые могут быть получены либо при увеличении параметра р (см. выражение (1.6)) выше единищл в открытых магнитных ловушках, либо путем искусственного обращения магнитного поля в тета-пинчах конечной длины, либо другими способами. В зависимости от тополопш магнитного поля они делятся на две большие группы: без тороидального магнитного поля внутри плазмы ( омаки ) и с тороидальным полем, создаваелшм протекающими по плазме токами ( сферомаки ).

В настоящее врет осуществляются экспериментальные и теоретические исследования следующих открытых магнитных систем; классические открытые ловушки, амбиполярные или тандемные ловушки, ловушки с вращающейся плазмой, магнитоэлектроататические ловушки, многопробочные и газодинамические ловушки.

Классические открытые ловушки представляют собой цилиндрические системы, в KOTojHX продольное магнитное поле, нарастающее к торцам, позволяет удерживать плазму. В результате отражения заряженных частиц от областей с сильным магнитным полем (магнитных пробок) плазма принимает равновесное состояние.

Амбиполярные ловушки являются открытыми системами о улучшенным продольным удержанием плазмы. Они состоят из длинной центральной части с продольным магнитным полем и двух, расположенных на концах, небольших по объему ловушек с минимумом Е> . Последние служат для создания потенциального барьера, позволяющего снизить потери частиц из основной центральной части, т.е. преодолеть главный недостаток классических ловушек.

Ловушки с вращающейся плазмой позволяют снизить потери через пробки за счет действия центробежной силы, возникающей при вращении плазмы вокруг оси.

Многопробочные ловушки - устройства из линейно связанных друг с другом пробкотронов. Чтобы продольное удержание было эффективным, длина установки L , длина свободного пробега частиц J{ и длина отдельного пробкотрона t должны удовлетворять условию £~ /\/К L , где К - пробочное отношение (см.§ 3.1).

Газодинамическая ловушка представляет собой пробкотрон, длина которого превышает длину свободного пробега заряженных частиц (при этом продольное течение плазмы описывается уравнениями газовой динамики)-

Как в открытой, так и в замкнутой системах невозможно полностью предотвратить выход частиц из зоны реакции. Они будут вы-

В настоящее speim в качестве возмсенсй основы термоядерного реактора рассматршаются нескояькс типов замкнутых систем; тскамаки, стелларатсры, стабилизированные пинчи и компактные торы, занимающие прбмежуточное положение мевду замкнутыми и открытыми системами. Для таких типов, как гофрированные торы и скрю-пинчи перспективы менее ясны.

Тскамак представляет собой квазистационарную замкнутую ма1> нитную систему. Высокотемпературная плазма создается в сильном магнитном поле, вдоль которого возбувдается электрический ток, служащий как для удержания плазмы, так и для ее предварительного нагрева.

Стелларатор имеет много общего с токамаксм, однако, в отличие от последнего, полоидальное магнитное поле, необходимое для удержания плазмы, создается в нем не текущим по плазме током, а системой винтовых магнитных обмоток, расположенных снаружи плазмы. Это приводит к определенному усложнению магнитной системы установки, но делает стелларатор полностью стационарным устройством. К классу стеллараюров, кроме классических стеллараторов с винтовой обмоткой, создающей вращательное преобразование магнитного поля, относятся также торсатроны и тороидальные системы с пространственной осью.К стеллараторам можно отнести и систему с внутренним проводником типа левитрон , хотя она не является полностью стационарной системой.

Стабилизированный или парамагнитный пинч представляет собой тороидальную систему, в которой так же как и в токамаке, удержание плазмы обеспечивается комбинацией внешнего тородиального магнитного поля и полоидального поля тока, текущего по плазменному шнуру. Отличие от токамаков состоит в том, что для стабилизации плазмы используется слабое продольное магнитное поле, которое сосредоточено внутри плазменного шнура. Вне плазмы тороидальное магнитное поле переходит через нулевое значение и меняет знак, оставаясь по абсолютной величине значительно менше внутреннего. Баланс давлений в этом случае обеспечивается за счет полоидального магнитного поля, индукция которого должна быть одного порядка с индукцией внутреннего тороидального поля. Необходимая конфигурация поля образуется самопроизвольно при стремлении разряда в слабом поле перейти чераз неустойчивую фазу в. устойчивое состояние с минимальной энергией при заданном внутри проводящего кожуха магнитном потоке. Системы такого типа называют также пинчами с обращенным полем.