Нагрев плазмы

НАГРЕВ ПЛАЗМЫ

- процесс передачи энергии  внеш. источников в энергию хаотич. движения частиц плазмы; важен для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

 Существует неск. методов H. п. В установках с магн.  удержанием плазмы (токамаках, открытых ловушках, стеллараторах и др.) основными являются: омический (джоулев) нагрев; нагрев с помощью ВЧ эл.-магн. поля; нагрев пучками атомов. В импульсных установках с магн. удержанием плазмы применяют также нагрев с помощью быстронарастагощего магн. поля, инжекции в плазму электронных и ионных пучков и лазерного излучения.

 Омический нагрев наиболее прост по физическим принципам и по технологиям реализации; он применяется гл. обр. в замкнутых ловушках -  токамаках  и стеллараторах. Мощность омич. H. п. определяется ф-лой P = I2R,  где I - тороидальный ток, R- сопротивление плазменного витка. T. к. ток I ограничен сверху условиями устойчивости плазмы, мощность омич. нагрева велика только при высоком сопротивлении плазмы. Для полностью ионизов. плазмы R Т-3/2, где T - темп-ра плазмы, поэтому мощность омич. нагрева быстро падает с ростом темп-ры и при термоядерных темп-pax (T ~ ~108 К) используют др. методы нагрева.

 Высокочастотные методы H. п.  чаще всего основаны на  использовании разл. резонансных эффектов.

 Ионно-циклотронный резонансный нагрев (ИЦРН) определяется условием равенства частоты w внеш. поля первой или второй гармонике ионной циклотронной частоты w = w Вi = ZieB/mic (Zie - заряд иона,  В - индукция удерживающего магн. поля, mi - масса иона). Обычно ИЦРН в крупных токамаках требует применения эл.-магн. колебаний с длиной волны ~10 м. Иногда применяется ИЦРН на ионах малой примеси (напр., на ионах Не 3 в дейтериевой плазме). Можно создать также условия, когда при ИЦРН энергия будет вкладываться в осн. в электроны. На крупных совр. токамаках мощность ИЦРН достигает 18 МВт. Достоинствами ИЦРН являются относит. простота и доступность мощных генераторов декаметрового диапазона, относит. недостатком - трудность ввода ДВ-колебаний в плазму, что требует установки непосредственно в вакуумной камере токамака сложных антенных структур, подвергающихся воздействию разл. видов излучения плазмы. ИЦРН (как и др. виды ВЧ-нагрева) успешно применяется также в открытых ловушках и стеллараторах.

 Нижнегибридный нагрев (НГН) основан на наличии резонанса для быстрых магнитозву-ковых волн (см.  Волны в плазме )вблизи т. н. нижнегибридной частоты, к-рая для плазмы с одним сортом ионов равна (wBiwBe)1/2, где w Ве =  еВ/т е с - электронная циклотронная частота. В крупных токамаках нижнегибридной частоте соответствует длина волны ~ 10-20 см. Мощность НГН в совр. экспериментах достигает 10 МВт. Воздействие на плазму ВЧ-полем в диапазоне нижнегибридной частоты используется также для возбуждения и поддержания тороидального тока в замкнутых установках.

 Электронно-циклотронный  резонансный нагрев (ЭЦРН) основан  на близости частоты эл.-магн. волны w к электронной циклотронной частоте w Ве (или её гармонике). Для реактора-тока-мака это соответствует эл.-магн. волнам длиной 1-2 мм, генератором к-рых обычно бывают  гиротроны. Гиротрон-ный комплекс токамака T-10 (СССР) обеспечивает ввод в плазму излучения мощностью 4 МВт. Применение мощного ЭЦРН в открытых ловушках позволяет создавать в них "надтепловые" электроны, что необходимо для формирования в них тепловых барьеров (см. Открытые ловушки). ЭЦРН и др. резонансные методы нагрева позволяют в определ. мере управлять распределением мощности нагрева по сечению плазмы.

 Пучковый нагрев.  Широко  используются для H. п. пучки  атомов водорода (и его изотопов) с энергией от десятков кэВ  до неск. МэВ. Применяются именно атомарные, а не ионные пучки, т. к. они легко проникают в сильное магн. поле. Попадая в плазму, быстрые атомы превращаются в ионы (вследствие ионизации и перезарядки) и, т. к. их ларморовский радиус мал по сравнению с поперечным размером плазмы, остаются в ней и постепенно передают свою энергию частицам плазмы в результате кулоновских столкновений. Энергию пучка подбирают из условия, чтобы глубина проникновения быстрых атомов в плазму, определяемая процессами ионизации и перезарядки, была сравнима с характерным размером плазмы. Для получения атомарных пучков сначала в газоразрядном  ионном источнике создают медленные ионы водорода (или его изотопов), затем их ускоряют до нужной энергии и, наконец, пропускают через перезарядную мишень (обычно облако газообразного водорода), где быстрый ион нейтрализуется в реакции перезарядки.

 В кон. 1980-х гг. получены  пучки дейтонов с энергией  100 кэВ, эквивалентным током 50 А и длительностью импульса в неск. секунд. Используя неск. пучков, мощность инжекции на крупных токамаках доводили до 30 МВт.

 При энергиях дейтонов, значительно превышающих 100 кэВ, перезарядка положит. ионов становится неэффективной. Для получения атомарных пучков с большей энергией используются отрицат. ионы водорода: они также извлекаются из спец. ионного источника, ускоряются, а затем "обдираются" до нейтральных атомов в газовой мишени. Таким способом получают пучки атомов с энергией в сотни кэВ и планируют получать пучки с энергией св. 1 МэВ. Достоинством метода H. п. атомарными пучками является хорошая контролируемость процесса нагрева, недостатком - высокая стоимость соответствующих систем нагрева (особенно при больших энергиях инжекции).

 Среди др. методов H. п. в токамаках используют также адиабатич. сжатие плазменного шнура (обычно "но осуществляется как по большому, так и по малому радиусу) и нагрев НЧ-колебаниями w << wBi).

 Наиб. известный метод H. п. в импульсных системах с магн. удержанием - тета-пинч, т. е. быстрое сжатие плазмы по радиусу нарастающим продольным магн. полем (см.  Линч-эффект). Таким способом на одной из эксперим. установок в Лос-Аламосской лаборатории (США) была получена плазма плотностью 1016 см -3 и темп-рой 107 К. Др. метод - столкновение плазменных сгустков, "выстреливаемых" навстречу друг другу с двух концов установки. Большая группа методов H. п. связана с инжекцией пучков электронов или ионов с конца установки вдоль магн. поля. T. к. длина свободного пробега частиц пучка по отношению к ку-лоновским столкновениям с электронами и ионами плазмы обычно заметно превышает длину установки, нагрев осуществляется в результате возбуждения пучком надтепловых микрофлуктуаций плазмы, к-рые затем передают свою энергию в тепло (группу методов нагрева, связанных с возбуждением плазменной микротурбулентности, иногда объединяют термином "турбулентный нагрев").

 В термоядерных системах  с  инерциальным удержанием  плазмы H. п. осуществляется в результате  её быстрого сжатия cхлопывающейся тяжёлой оболочкой. Для разгона оболочки применяется либо реактивная сила, возникающая при абляции (испарении) её внеш. слоев под действием мощного потока светового излучения (в сферич. геометрии), либо сила давления магн. поля, создаваемого протекающим по оболочке импульсным током (схема миниатюрного Z-пинча).

 Лит.: Бабыкин M. В., Электронный термоядерный синтез, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т. 1, ч. 2, M., 1981; Басов H. Г. и др., Нагрев и сжатие термоядерных мишеней, облучаемых лазером, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т. 26, ч. 1, M., 1982; Габо-вич M. Д., Плешивцев H. В., Семашко H. H., Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей, M., 1986; Голант В. E., Фёдоров В. И., Высокочастотные методы нагрева плазмы в тороидальных термоядерных установках, M., 1986. Д. Д.  Рютов.