Новости

МАГНІТНІ БАЛОНИ ДЛЯ ГАРЯЧОЇ плазми

У своїх відомих оглядах актуальних проблем фізики і астрофізики академік В. Л. Гінзбург вже багато років поспіль на перше місце ставить проблему керованого термоядерного синтезу (КТС), тобто завдання контрольованого злиття ядер легких елементів - водню, гелію, літію (див. «Наука і життя »№№ 11, 12, 1999 г.).У той час як реакцію «некерованого» термоядерного синтезу змогли запустити через кілька років напруженої роботи і світ отримав водневу бомбу, проблема УТС коштує вже близько п'ятдесяти років і до сих пір не вирішена.Тобто не тільки не створено промисловий реактор, а й немає ні лабораторних моделей зі стабільним виходом енергії, ні схеми термоядерного реактора, в яку всі фахівці вірили б.Такий стан змушує фізиків шукати альтернативні способи здійснення реакції синтезу - наприклад, імпульсна обтиснення ампули з сумішшю дейтерію і тритію лазерними променями (див. «Наука і життя» № 11, 1999 г.) або зіткнення пучків іонів цих ізотопів, розігнаних в прискорювачі-колайдері (див. «Наука і життя» № 1, 2000 г.).Однак існують і інші ідеї, що дозволяють обійти недоліки систем, які розробляються нині (токамаки, стелараторі), а фізичні явища, що заважає утриманню плазми в цих пристроях, перетворити в достоїнства, які допомагають надійно укласти її в магнітне поле.
ЗА ЩО Ж ЗУПИНКА?

Так рухаються заряджені частинки в магнітному полі.

Спроба причесати волосатий куля приречена на невдачу: на його "полюсах" неминуче залишиться стирчати хоча б по одному волоску.

Стійка (а) і нестійка (б) межі розділу плазма-поле.

Галатея, створена в університеті штату Вісконсін, США.

Наука і життя // Ілюстрації

Блакитне світіння аргоновой плазми в Галатеї Ерл-М (неофіційна назва - "Авоська"), зібраної в МІРЕА.

<

>

Якщо говорити простою звичним мовою, можна сказати, що справа за посудом для гарячої плазми. Що таке плазма зараз знають практично всі. З плазмою або її проявом ми стикаємося всюди: Сонце, зірки, блискавка, лампи денного світла, електрична дуга - все це плазма, іонізований газ. А «гаряча» означає, що її температура - мільйони, а в реакторах УТС - сотні мільйонів градусів. Підібрати для такої плазми «посуд» виявилося дуже і дуже непросто.

Проблемою керованого термоядерного синтезу почали займатися на початку 50-х років, а в кінці 60-х стало здаватися, що визначився безумовний лідер серед можливих плазмових пасток - токамак. І хоча батько токамака академік Лев Андрійович Арцимович всіляко підкреслював, що зосереджувати всі сили світового термоядерного спільноти на одній схемі небезпечно, почалася, особливо після його смерті в 1973 році, глобальна «токаматізація» термоядерних досліджень.

І хоча батько токамака академік Лев Андрійович Арцимович всіляко підкреслював, що зосереджувати всі сили світового термоядерного спільноти на одній схемі небезпечно, почалася, особливо після його смерті в 1973 році, глобальна «токаматізація» термоядерних досліджень

Квінтесенцією цієї діяльності став проект «майже промислової» установки «ІТЕР» - міжнародного токамака - енергетичного реактора, який розробляли США, Японія, Західна Європа і Росія. Тільки цей проект обійшовся майже в півтора мільярда доларів, а всього на проблему УТС, головним чином на токамаки, було витрачено в десять разів більше. І тут законодавці США наклали вето на подальше фінансування інженерних і технологічних робіт за даним проектом і зажадали пошуку альтернативних варіантів, який і ведеться зараз американськими дослідниками.

Але незважаючи на все зриви, роботи в області УТС тривають. Адже запустивши керовану термоядерну реакцію, людство, як говорив Л. А. Арцимович, в повному розумінні слова потрапляє в «енергетичне Ельдорадо». Виділивши з літра звичайної води міститься там ізотоп водню - дейтерій - і пропустивши його через реактор, можна отримати стільки ж енергії, скільки дає спалювання майже ста літрів бензину. Крім того, плазмові системи все ширше застосовуються в машинобудуванні, аерокосмічній техніці, в технології обробки поверхонь, і багато хто з них теж вимагають судин для плазми.

Як приклад технічно простого пристрою для утримання низькотемпературної - до десятків тисяч градусів - плазми можна привести отримали в даний час помітне поширення так звані «судини зі знакозмінними магнітними стінками» з безлічі постійних магнітів. Незважаючи на те, що стінки мають «щілини», через які можуть йти частки, загальна площа «щілин» невелика і втрати плазми незначні. Подібні судини зараз знаходять широке застосування, наприклад в якості іонізаційних камер потужних іонних інжекторів, в тому числі - космічних іонних двигунів (див. «Наука і життя» № 9, 1999 г.).

Основна ж проблема УТС полягає в тому, що водневу плазму (суміш дейтерію з тритієм) щільністю порядку 1014 см3 (в нормальних умовах - при тиску 1 атмосфера і температурі 0 ° С - в 1 см3 міститься 2,7.1019 частинок), але має температуру близько 100 мільйонів градусів потрібно втримати не менше секунди. Як судини для утримання плазми таких параметрів найбільш ефективні магнітні поля. Однак до сьогоднішнього дня створити його не вдалося.

діамагнетизм ПЛАЗМИ

Традиційні магнітні пастки (токамаки, стелараторі і інші пристрої) мають істотний недолік: плазма і магнітні поля в них «перемішані» один з одним. Це не дозволяє розглядати такі пастки як судини в повному розумінні слова, оскільки посудину - це відносно тонкостінна оболонка, в яку щось налито. Але головне не в цьому.

Перемешанность поля і плазми, як показують дослідження, призводить до ряду серйозних труднощів. Одна з найбільш істотних проблем, що гальмують здійснення керованого синтезу, - загальний недолік «традиційних» систем, який можна назвати «діамагнітний порок». Суть його полягає в наступному.

Заряджені частинки плазми в магнітному полі рухаються по спіралях, утворюючи як би витки, кільцеві провідники зі струмом. Вони створюють власні магнітні поля, спрямовані протилежно зовнішньому полю. Сила, що виникає при взаємодії цих полів, прагне викинути виток назовні. Саме так поле діє на речовини, іменовані діамагнетиками. Отже, плазма в неоднорідному магнітному полі має діамагнетизмом.

Цей ефект не помітний на рівні одиночних частинок - все-таки одна частинка ще не колечко, - але він чітко проявляється в сукупності частинок у вигляді різного роду неустойчивостей. З найпростішими з них так чи інакше навчилися справлятися шляхом переходу на складні тривимірні конфігурації поля, а в складних випадках позбутися від них дуже непросто.

Тому долати негативні властивості діамагнетизму плазми слід не «подлечіваніем» існуючих пасток, а шляхом радикального перетворення його з ворога в друга, фактора не заважає, а сприяє утриманню плазми. Для цього достатньо магнітні поля використовувати не як «середовище проживання» плазми, а як магнітний «паркан», «кірку», її навколишнє.

Щоб уникнути непорозумінь автор відразу хоче попередити, що ідеї перших пристроїв з «магнітної кіркою» - під назвами «пастки з охоронними провідниками», «пастки з магнітною сіткою» та інші з'явилися ще сорок з гаком років тому, а в 60-х роках з ними були зроблені перші короткочасні експерименти. Однак уже на початку 70-х років токамаки продемонстрували найбільш високі для того часу значення щільності, температури і часу утримання плазми. І тоді досліди з корковими пастками - за малим винятком ( «Торнадо» оригінальної конструкції в петербурзькому Фізико-технічному інституті ім. А. Ф. Іоффе) - були припинені, незважаючи на цілий ряд дуже цікавих результатів.

Відродження інтересу до цих систем почалося кілька років тому. Пов'язане воно як із загальним розвитком фізики і техніки плазми, так і з труднощами, з якими зіткнулися токамаки.

ПРО ІДЕАЛЬНИХ пастку

Оскільки, як уже зазначалося, потреба в судинах для плазми, актуальна вже сьогодні, з часом стане тільки рости, подивимося, які пастки, хоча б умовно, можна назвати «ідеальними».

Перш за все, очевидно, потрібно усунути шкідливі дії діамагнетизму плазми, тобто це повинні бути пастки з магнітною оболонкою ( «кіркою»).

Пастка не повинна мати «щілин», що призводять до швидких втрат частинок.

Як і у всякій «нормальної» посуді, оболонка повинна мати менший обсяг, ніж її вміст - плазма.

Кордон розділу плазма - поле - повинна бути стійкою.

Ці чотири умови визначають основні риси «ідеальних пасток» і ряд вимог до їх конструкції.

З цих умов видно, що пастка, яка задовольнить переліченим умовам, не може мати форму кулі або, точніше, яйця, в якому роль білка грає магнітне поле, а жовтки - плазма. Це пояснюється тим, що для ефективного утримання плазми, магнітні силові лінії повинні бути скрізь паралельні її поверхні.

Така вимога формально еквівалентно спробі причесати волосатий куля, що неможливо: завжди виявляться стирчать принаймні два волоска, а в нашому випадку - два отвори в поле, а через них плазма почне тікати. Найпростіша фігура, яку можна повністю «причесати», - тор (бублик). Отже, що задовольняє трьом зазначеним умовам конфігурація поля - порожнистий магнітний тор. Цього могло бути цілком достатньо для ідеальної пастки, якби магнітне полі не деформувалося під дією плазми. Але, на жаль, це не так.

Якщо за рахунок будь-яких випадкових причин межа розділу обурюється і між силовими лініями починає проникати «мову» плазми, то подальший розвиток процесу буде залежати від того, посилюється або слабшає при цьому поле магнітного бар'єру. Якщо з видаленням від кордону поле стане слабшою, магнітне тиск впаде, а тиск плазми практично не зміниться, то плазмовий «мову» стане рухатися все далі і межа виявляється нестійкою. Але якщо поле в міру віддалення від кордону наростає, магнітне тиск зажене «мову» назад - межа буде стійка.

У наростаючому в міру віддалення від кордону магнітному полі силові лінії випуклі в бік плазми. Але тоді перетин плазмового обсягу виявляється «гострокутним», з широкими щілинами по кутах. Подолати цю неприємність можна, тільки замкнувши додатковим полем одну щілину з іншого. Тоді частка, покинувши посудину через одну щілину, неминуче повернеться в нього через іншу. Виникає конфігурація ція, реально задовольняє всім основним умовам.

Але тут з'являється ще одна неприємність: таку конфігурацію поля не можна створити без провідників зі струмом, з усіх боків оточених плазмою! Такі провідники назвали Міксини (міксини, найближчі родичі міног, самостійно можуть зав'язуватися у вузол). Очевидно, в ідеалі міксини повинні вільно висіти в магнітному полі ( «левитировать») - на будь-який опорі плазма стане гаснути, та й жоден матеріал контакту з нею довго не витримає. Міксина повинна бути сверхпроводящей, бо тільки так можна отримати безперервні струми великої величини в ній і, отже, сильні магнітні поля. А вони необхідні не тільки для «левітації» міксини, але і для запобігання контакту з нею плазми. Порушувати ток в Міксини можна змінним магнітним полем. Тонкий плазмовий шар, що охоплює Міксини, отримав назву «мантія». У мантіях плазма і поля перемішані один з одним, але через їх малого обсягу диамагнетизм плазми в цілому ніякої ролі не грає.

Надалі, слідуючи складається традиції, будемо називати магнітні пастки для плазми, що містять повністю оточені плазмою провідники, «Галатеї». У грецькій міфології Галатея - одна з п'ятдесяти дочок бога моря Нерея. Кожна нереїда «відповідала» за одне якесь стан моря. Спокійним ранковим морем, прикритим легкої білим серпанком, відала Галатея. Давши ім'я цього божества реактору для керованого термоядерного синтезу, фізики сподіваються, що плазма в ньому теж виявиться спокійною.

Поняття і схема ідеальної пастки потрібні як орієнтир у величезному морі можливих конструкцій. Для кожної конкретної задачі потрібні системи зі специфічними особливостями, можливо, далекі від розглянутого ідеалу. Серед Галатей можуть бути і пастки, в яких плазма і поля повністю перемішані. Перша конкретна схема «магнітотермоядерного реактора» (МТР), запропонована А. Д. Сахаровим близько 1950, була Галатеєю цього типу.

Зараз в США створюється галатея «Диполь» з надпровідними котушками, але поле і плазма в ній перемішані. Цим пристроєм дуже цікавився Едвард Теллер, «батько» американської водневої бомби.

До ідеальним пасток відносяться тільки системи з магнітною кіркою.

ТРИ ТЕХНІЧНІ ПРОБЛЕМИ Галаті-РЕАКТОРІВ

Незважаючи на явні важливі переваги Галатей для цілей керованого термоядерного синтезу у багатьох складалося враження, що пов'язані з ними технічні труднощі занадто великі, а то і взагалі неможливо розв'язати. Головним чином йшлося про три проблеми, на яких ми і зупинимося.

МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА Міксини

Щоб забезпечити левітації миксин, несучих радіаційний захист, досить помістити під ними оперте про землю кільце зі струмом протилежного напрямку, що створює поле напруженістю близько 200 Ерстед. Це не дуже багато (середня напруженість магнітного поля Землі близько 1 Ерстеда), особливо якщо врахувати, що для утримання плазми в термоядерних реакторах типу токамак потрібно близько 30-50 тисяч Ерстед.

Не викликає серйозних труднощів і створення системи стабілізації становища міксини. Наочною демонстрацією її технічної простоти може служити створення в Японії і Німеччині надшвидкісних пассажірс ких поїздів на магнітній підвісці, що розвивають швидкість понад 500 км / ч.

Скидання ЕНЕРГІЇ З Міксини

В термоядерних реакторах міксини будуть інтенсивно опромінюватись потоками нейтронів, гамма-і іншими випромінюваннями. Тому у проблеми відводу приходить енергії є два аспекти: скидання основної частки енергії, «застревающей» в зовнішніх шарах миксин, і підтримання низької температури надпровідника.

НАЧНЕМ З ПЕРШОЇ ПРОБЛЕМИ.

Вихідними тут можуть служити дані численних інженерних проектів токамаков - реакторів, які показали, що потоки енергії на стінку знаходяться на рівні 100-200 Вт / см2. Але така потужність скидається тепловим випромінюванням вольфрамо вої або керамічної стінки при температурі 2000-2300 К. До речі, на цьому наголошував і А. Д. Сахаров у своїй схемі магнітотермоядерного реактора.

ПІДТРИМКА в надпровідний стан Міксини

Ця проблема, очевидно, найбільш складна. Однак вона має два рішення, істотно залежать від робочої температури надпровідника.

Найпростіший з них - це створення реактора, що працює в циклічному режимі. Розрахунки показують, що тривалість робочого циклу може бути близько 1000 секунд при використанні гелієвих надпровідників з робочою температурою до 15 К. Відкриття в останнє десятиліття «високотемп ратурних» (до 70 К) «азотних» надпровідників дозволить збільшити тривалість робочого циклу майже в 100 разів. Відпрацювавши належний час, міксина опускається на опори, швидко охолоджується і знову повертається в робочий стан.

Але можлива й інша схема роботи, коли в зоні надпровідності міксини поміщають генератор холоду - як в домашньому холодильнику. Енергію до нього можна подавати або ззовні (наприклад, СВЧ-хвилями міліметрового діапазону, які вільно проходять через плазму), або від вбудованого електрогенератора, що працює за рахунок перепаду температур в самій Міксини (він завжди існує через нерівномірне нагрівання поверхні міксини радіацією). Зі сказаного видно, що нерозв'язних проблем з охолодженням надпровідного кільця немає. Крім того, представляється досить імовірним створення надпровідних матеріалів з робочою температурою, близькою до кімнатної. Тому навряд чи можна сумніватися, що труднощі, які ще недавно багатьом здавалися нездоланними, незабаром сприйматися всерйоз не будуть.

У період розквіту досліджень по ТОКОМАК в світі працювало близько ста установок, що мають практично однакову конструкцію.

Нічого схожого на Галатея не було. Результати, отримані на одних установках, що не перевірялися на інших аналогічних установках і тому не мали належної повнотою. Проте ні в якому разі не можна вважати, що Галатеї в експериментах погано тримали плазму. Тому викликає великий жаль, що їх вивчення не набуло належного розвитку.

Галат В «ДОМАШНІХ» УМОВАХ

Сучасні установки для дослідження ий з керованого термоядерного синтезу, як правило, вражають своїми масштабами, потужністю систем електроживлення, витонченістю діагностичних засобів. Однак на зорі робіт по УТС все було досить скромним і це породило в Інституті Курчатова навіть жартівливий лозунг: «Кожній домогосподарці по зет-Пінчу» (зет-пинч - стислий магнітним полем плазмовий шнур, що утворюється при пропущенні імпульсу струму в керамічної трубі з розрядженим газом , з якого вперше був виявлений вихід нейтронів).

Зараз таке гасло, з заміною «зет-пинча» на «Галатею», може стати не надто абсурдним. Дослідження Галатей можна вести в фізпрактікумах більшості технічних вузів. Для цього достатньо мати вакуумні насоси, здатні забезпечити розрядження до 10-4 мм рт. ст., і вакуумну камеру діаметром і довжиною близько півметра. Робочим газом може служити аргон або азот. Оскільки в таких установках потужність джерела плазми невелика, а час утримання мало, їх міксини можна підвісити на тонких нитках.

8. «Наука і життя» № 9, 2000. Зрозуміло, Галатеї такого масштабу якому разі не можуть вказати надійний шлях в «енергетичне Ельдорадо». Але такі малі установки можуть бути не тільки навчальним посібником. Акуратне і систематичний чеський вивчення процесів в них представляє великий науковий інтерес, не кажучи про те, що скромні моделі Галатії, безумовно, стануть основою для вирішення багатьох прикладних задач.

У Московському інституті радіотехніки, електроніки та автоматики (МІРЕА) під керівництвом доктора фізико-математичних наук А. І. Бугрова і автора експериментально вивчається ряд варіантів Гал. Теоретично дослідження цих пасток ведуться в Інституті ядерного синтезу (ИЯС) Російського наукового центру Курчатовський інститут і в Інституті прикладної математики імені М. В. Келдиша. Отримані до теперішнього часу результати дозволяють сподіватися, що Галатеї внесуть істотний внесок в многоликую плазмову технологію.


ЗА ЩО Ж ЗУПИНКА?