МГД-Неустойчивости - Бейтман Г.
Скачать (прямая ссылка):
ґ ^тор
^щ^>1- (1Л2>
(Смысл величины ц будет обсужден в гл. 4,) Обычно значение ц должно быть масштаба 3, чтобы устранить дополнительную внутреннюю неустойчивость, которая ухудшает удержание плазмы. Предположим, чю плазма с параметрами, указанными п вопросе 1,1.1, удерживается только полоидалмїьі\ї магнитным полем, а вакуумное іороидалъное магнитное поле предназначено только для устойчивости Насколько большим должно быть В^^ Какое магнитное давление оказывает о1Пр на катушки, которые создают В Можно ли создать такое поле?
Б течение 60-х годов основное внимание было приковано к выяснению причин плохого удержания плазмы в тороидальных системах. Поскольку удержание, наблюдаемое в экспериментах, бьїло гораздо хуже рассчитанного на основе простых моделей столкновений отдельных частиц, стали считать, что плазму поперек магнитного поля выносят мелкомасштабные неустойчивости. Теоретические исследования МГД-нсустойчивостей в это время были сосредоточены на изучении локализованных неустойчивостей, и для поиска устойчивых плазменных конфигураций были разработаны весьма элегантные математические методы. Для контроля точной формы и профиля плазменного шнура в этот период было выполнено множество экспериментов с тщательно разработанной сложной геометрией магнитного поля. Однако наиболее успешные эксперименты были сделаны на ряде установок, названных тока-маками, которые были построены в Институте атомной энергии
8
им. И. В. Курчатова в Москве и основаны па простом омическом нагреве толстого плазменного шнура, помещенного в сильное тороидальное магнитное поле. Поскольку сейчас токамаки находятся в центре исследований по управляемому термоядерному синтезу во многих лабораториях во всем мире и так как они составляют основную тему этой книги, имеет смысл в следующем параграфе описать токамаки и их неустойчивости более подробно.
§4.2. ТОКАМАКИ
Основные элементы токамака были известны уже в 1958 г. [Ь]г но результаты в то время не производили впечатления. В серии установок, построенных в ИАЭ им. И, B1 Курчатова, были постепенно увеличены размеры, мощность, длительность импульса, причем это осталось незамеченным остальным миром. Поворотный пункт наступил, когда физики западных стран после Новосибирской конференции МАГАТЭ 1968 г. обратили внимание па советские токамаки и когда в 1969 г. Л. А. Арцимович прочел серию лекций в Соединенных Штатах Америки. Несколько позже, в том же году, группа английских физиков, которая привезла в ИАЭ им. И. В. Курчатова оборудование для диагностики по лазерному рассеянию, подтвердила утверждения советских физиков о высокой температуре и сравнительно длительных временах удержания энергии [39]. В Принстоне в течение одного года стелларатор-С был переделан в токамак, и в дальнейшем токамаки были построены в лабораториях всего мира. В 70-х годах для изучения плазмы токамака был использован весьма широкий набор диагностик, а кроме того, исследовался широкий диапазон режимов работы — особенно методы дополнительного нагрева. Была получена плазма с ионной температурой до 2 кэВ, плотностью порядка 10й част./см3 и временем удержания энергии около 20 мс*. Докладывалось также о получении в разных условиях больших плотностей и времен удержания,
Токамак, по существу, представляет собой трансформатор, который возбуждает ток в толстой осесимметричной тороидальной плазме, помещенной в сильное магнитное поле (рис, L2). Термин «токамак» является русским сокращением слов «ток максимальный»*2. Как правило, плазма окружена двумя стенкамтт. Первая стенка обычно сделана из тонкой нержавеющей стали с керамическими разъемами или представляет непрерывную конструкцию из сильфонов с высоким сопротивлением, так что основная часть тока протекает по плазме, а не по стенке. Было установлено, что нержавеющая сталь дает меньше примесей в плазму, чем керамика, стекло или кварц. Чтобы зафиксировать апертуру плазмы и нре-
* В настоящее время на токамаке PLT в Принегопс досґиг.и\іа температура 7 кзВ, —Примеч. ред.
*3 Одна in удачных по смыслу интерпретации термина. Действительное происхождение термина следующее тороидальная камера и ма-пит наи катушка. — Примеч, ред.
9
Ри-с. 1.2. Слема токамака [6J:
I — замыкающим магннтопровод; ?--медный стабилизирующий ко-жух; J- лайнер нз нержавеющей стали, 4 — катушки тороидального полк; J — изолирующие разрез; 6 — обмотки первичной цепи; 7 -плазма, S- полон да лъное магнитное поле -ВПОлі 9 — ток ллаз-WW /; 10 — стабилизирующий медный кожу*; 11 — тороидальное магнитное ноле Ятор; 12 ~~ силовые
ЛИНИИ M Л ГНК І ного КОЛЯ
дохранить первую стенку от убегающих электронов, которые в разрядах с низкой плотностью могут легко прожечь дырки даже в тугоплавких материалах, используется диафрагма из тугоплавких материалов, таких, как молибден или вольфрам. Большую роль в в установлении характеристик разряда в токамаке играют примеси, и подготовка первой стенки представляется неким таинством. Например, перед каждой серией экспериментов па токамаке первая стенка «чистится разрядом» с сильно неустойчивой плазмой при уменьшенных мощности разряда и тороидальном поле, а для мягкой очистки, не разрушающей молекулярные комплексы типа CH4 и H2O, разрядами с низкой температурой.
