В ФИАНе разработан новый алгоритм расчёта устойчивости плазмы в магнитных ловушках, делающий возможной усовершенствованную конструкцию магнитной ловушки токамаков, с существенно более высокими параметрами удержания горячей плазмы.
Кандидат физико-математических наук Михаил Цвентух, работающий в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН), представил новый алгоритм расчёта устойчивости плазмы в магнитных ловушках, делающий возможной усовершенствованную конструкцию магнитной ловушки токамаков (и не только), с существенно более высокими параметрами удержания горячей плазмы.
Вопрос магнитного удержания плазмы с предельными параметрами актуален как для управляемых термоядерных реакций синтеза, так и для понимания фундаментальных свойств динамики плазмы в магнитном поле. Суть магнитной термоизоляции плазмы — в создании и поддержании по возможности наибольшего давления плазмы в центре магнитной ловушки и наименьшего — на её периферии. Однако плазма просачивается наружу, сглаживая этот градиент; при этом важно избежать быстрого выплёскивания плазмы из ловушки. Этого можно добиться, например, создавая магнитную конфигурацию типа «ямы» либо довольствуясь «плавным» спадом давления. У последнего случая есть простая физическая аналогия — гора с песком с предельным углом наклона.
Простейшей ловушкой с ямой является антипробкотрон (касп), образованный двумя соосными токовыми витками с противоположным током. Силовые линии в нём вогнуты к центру ловушки: это так называемая «благоприятная» кривизна. Пробкотрон — это два соосных витка с однонаправленными токами; такая ловушка имеет силовые линии, выпуклые наружу. Кривизна «неблагоприятна», но чем сильнее силовые линии выпуклы, тем резче может спадать давление плазмы без возникновения неустойчивости.
В работе Михаила Цвентуха, сотрудника Лаборатории импульсных процессов, предлагается совместить оба метода удержания. «Внутрь ловушки нужно “поставить” магнитную яму, а снаружи “насыпать песок” с предельным градиентом, то есть скомбинировать ловушки с выпуклыми и вогнутыми силовыми линиями, — рассказывает учёный. — Кажется, что профили давления внутри ямы и снаружи должны быть независимы, но, как выяснилось, в этом случае наружный градиент становится существенно круче. Дело в том, что влияние ямы проникает за её границы, и стабилизация происходит и во внешних областях. Это довольно неожиданный положительный эффект».
Суть эффекта в том, что частицы на выпуклых и вогнутых участках силовой линии дрейфуют в противоположные стороны, из-за этого наведённый неустойчивостью объёмный заряд компенсируется и для инициирования неустойчивости требуется более высокий градиент давления плазмы. Этот дрейф (усреднённое движение) в неоднородном магнитном поле и есть инициатор неустойчивости; таким образом, даже частичная компенсация дрейфа на силовой линии делает эту область более стабильной.
Описанная картина проявляется, если использовать более точный «кинетический» критерий устойчивости плазмы вместо более простого — магнитогидродинамического, в котором плазма описывается как жидкость. При этом кинетический критерий более подходит для горячей (высокотемпературной) плазмы, где столкновения между частицами довольно редки.
Сам критерий известен с конца 1950-х, после классических работ Кадомцева, Крускала и Обермана, Розенблюта и Ростокера. Однако его общий вид чрезвычайно громоздок. Требовались упрощения и численные расчёты. Затем, в 1983 году, В. В. Арсенин из в Курчатовского института, применив этот критерий к ловушке со знакопеременной кривизной, показал устойчивость слоя плазмы у границы ямы («Письма в ЖЭТФ», т. 37, стр. 534). Принципиальная новизна нынешней работы в том, что эффект стабилизации был определён количественно, то есть был вычислен результирующий предельный профиль плазменного давления для реальных (экспериментальных) магнитных конфигураций.
«Результат оказался слишком неожиданным, — поясняет Михаил Цвентух. — Вместо пологого — “параболического” — профиля давления плазмы получается центрально-пикированный, похожий в сечении на древнерусский шлем. Получив резкий скачок, я сначала даже подумал, что это какая-то ошибка. Но тут действительно работает сложение стабилизирующих эффектов».
Важно, что такой подход к стабилизации плазмы можно применить в самых разнообразных магнитных ловушках, в том числе простейших. «Система гораздо проще токамака по техническому исполнению, — рассказывает исследователь. — Это открытые ловушки с осевой симметрией. Из них также можно сделать замкнутую систему. Можно добавлять небольшие стабилизаторы к существующим ловушкам и получать более высокие предельные параметры плазмы. Вообще говоря, простота геометрии, в частности осевая симметрия, позволяет получать плазму с лучшими параметрами. Например, рекордный уровень давления плазмы, а именно параметр бета (отношение давлений плазмы и магнитного поля) на уровне 70%, недавно был получен в осесимметричной ловушке. Для сравнения: в токамаках “высокая” бета — это единицы процентов».
Сегодня актуальны различные термоядерные приложения, не только в виде «чистой» термоядерной энергетики, но и как термоядерный источник быстрых нейтронов для гибридного реактора «синтез — деление». Такой источник позволяет делить природный уран и торий; при этом ничего обогащать не нужно — а значит, и бомба невозможна. Кроме того, с его помощью можно безопасно «дожигать» радиоактивные отходы, которые сейчас требуют длительного хранения. Несомненно, повышение эффективности удержания плазмы облегчит практическую реализацию этих устройств.
Дело за «малым» — экспериментальным подтверждением столь многообещающего эффекта.
Подготовлено по материалам ФИАН-информ.
Просмотров 
