ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ

ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ
ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ

- разновидность магнитныхловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, <ограниченном в направлении вдоль поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, <стеллараторов), имеющих форму тороида, для О. л. характерна линейная геометрия, <причём силовые линии магн. поля пересекают торцевые поверхности плазмы(с последним обстоятельством и связано происхождение термина "О. л." -они "открыты" с торцов).
О. л. имеют ряд потенц. преимуществ посравнению с замкнутыми: они проще в инженерном отношении, в них более эффективноиспользуется энергия удерживающего плазму магн. поля, легче решается проблемаудаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, мн. <разновидности О. л. могут работать в полностью стационарном режиме. Однаковозможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основеО. л. требует ещё эксперим. доказательств.
Пробкотрон - наиб. распространённый типО. л. (рис. 1, а). Предложен в нач. 1950-х гг. независимо Г. И. <Будкером и Р. Постом (R. Post). Участки сильного магн. поля на концах этойловушки удерживают плазму, поэтому их наз. магн. пробками.

15027-106.jpg

Рис. 1. Различные типы открытых магнитныхловушек (точками показана плазма): а - пробкотрон; б - амбиполярнаяловушка ( О - длинный центральный пробкотрон, .- короткиеконцевые пробкотроны); в - антипробкотрон (0 - куль магнитного поля, А- осевая щель, В - кольцевая щель); г - многопробочнаяловушка.

Удержание частицы в пробкотроне обусловленоадиабатич. инвариантностью её магн. момента, имеющей место в условиях, <когда ларморовский радиус частицы мал по сравнению с масштабом изменениямагн. поля (см. Адиабатические инварианты). В нерелятивистском приближениимагн. момент частицы 15027-107.jpgгде Н - напряжённость магн. поля, а т и 15027-108.jpg- масса и перпендикулярная магн. полю составляющая скорости частицы. Изадиабатич. инвариантности 15027-109.jpgи закона сохранения энергии частицы 15027-110.jpgследует, что при условии 15027-111.jpg (где Н макс - макс. значение магн. поля в пробках) частицаотражается от пробок и совершает финитное движение внутри ловушки.
Если обозначить индексом "0" значениявсех величин в минимуме магн. поля, то условие 15027-112.jpgможно записать в виде

15027-113.jpg

Величину R наз. "пробочным отношением".Из условия (1) следует, что при данном соотношении полей Н макс и Н0 в ловушке удерживаются только те частицы, векторскорости к-рых лежит в пространстве скоростей вне "конуса потерь" [конусас осью, параллельной магн. полю, и с углом при вершине 15027-114.jpg=15027-115.jpg
В осесимметричном пробкотроне плазма, <как правило, подвержена желобковой неустойчивости, приводящей кпросачиванию плазмы поперёк магн. поля в виде узких языков. Неустойчивостьвозникает потому, что в таком пробкотроне модуль магн. поля спадает в радиальномнаправлении, а плазме энергетически выгодно перемещаться в область слабогоноля. Для стабилизации желобковой неустойчивости применяются неосесимметричныемагн. поля, имеющие абс. минимум Н в области удержания.
Пробкотроны заполняют горячей плазмой, <инжектируя быстрые атомы водорода. Проникая поперёк магн. поля в плазму, <они захватываются там вследствие ионизации и перезарядки и обеспечиваютподдержание материального и энергетич. баланса плазмы. Таким методом впробкотроне 2ХПВ в Ливерморской лаборатории (США) в 1976 получена квазистационарнаяплазма с плотностью ~1014 см -3 и темп-рой ионов Т i15027-116.jpg108 К.
Упругие столкновения ионов плазмы другс другом приводят к их рассеянию, попаданию в конус потерь и выходу изпробкотрона. Расчёты показывают, что определяемое этим процессом время 15027-117.jpgжизни плазмы в пробкотроне может быть оценено по ф-ле

15027-118.jpg

где 15027-119.jpg- время рассеяния иона на угол порядка единицы. Эта оценка справедливав условиях, когда длина пробкотрона мала по сравнению с длиной свободногопробега ионов 15027-120.jpg
Время рассеяния электронов 15027-121.jpgочень мало по сравнению с 15027-122.jpgи поэтому ф-ция распределения электронов близка к максвелловской. В частности, <она изотропна, т. е. значит. часть электронов находится в конусе потерьи могла бы вылететь из ловушки через пробки. В таких условиях квазинейтральностьплазмы обеспечивается возникающим в ней амбиполярным электрич. полем, препятствующимпотерям электронов. Распределение амбиполярного потенциала вдоль нек-ройсиловой линии магн. поля даётся ф-лой

15027-123.jpg

где Т е- темп-pa электронов, п- локальная плотность плазмы. Амбиполярное электрич. поле приводитк нек-рому ухудшению удержания ионов.
К большому дополнит. уменьшению временижизни ионов приводит их рассеяние на надтепловых флуктуациях электрич. <поля, к-рые могут возникать вследствие анизотропии ионной ф-ции распределения(анизотропия связана с отсутствием ионов в конусе потерь). Относительномалое время жизни в пробкотроне делает перспективы применения таких системв качестве термоядерных реакторов не слишком благоприятными. В связи сэтим в разное время было предложено неск. усовершенствованных типов О. <л., основанных на идее пробкотрона.

Амбиполярная ловушка. Одна из возможностейповышения времени удержания ионов связана с использованием амбиполярногоэлектрич. поля. К длинному пробкотрону О (рис. 1, б )с плазмойумеренной плотности с каждой стороны присоединяется по короткому пробкотрону 1,в к-рых с помощью интенсивной инжекции высокоэнергетич. нейтральных атомовподдерживается высокая плотность плазмы. Тогда в соответствии с (3) междуцентральным и крайними пробкотронами возникает разность потенциалов, равная( Т е)1п( п 1/п 0), и для ионовцентр. пробкотрона появляется эл.-статич. потенц. яма. При достаточно большомперепаде плотности глубина ямы будет столь велика, что потери ионов изцентр. пробкотрона станут пренебрежимо малыми. Разумеется, поддержаниевысокой плотности плазмы в концевых пробкотронах требует определ. энергетич. <затрат, но эти затраты не зависят от длины центр. пробкотрона. А т. к. <мощность термоядерного энерговыделения в нём пропорц. его длине, то, делаяцентр. пробкотрон достаточно длинным, можно обеспечить положит. энергетич. <баланс системы в целом.

15027-124.jpg

Рис. 2. Схема амбиполярной ловушки ТМХ:.- аксиально-несимметричная обмотка концевого пробкотрона, обеспечивающаяминимум магнитного поля Н на оси; 2 - обмотки центральногосоленоида; 3 - переходные обмотки; 4 - плазма;5 - инжекторынейтральных атомов. Характерная "веерная" форма плазмы вблизи концов установкиобусловлена свойствами магнитного поля установки. В центральном соленоидесечение плазмы круглое.

В экспериментах на ряде амбиполярных ловушекв кон. 70-х - нач. 80-х гг. было показано, что амбиполярное удержание ионовцентр. пробкотрона действительно существует. При создании нужного распределенияплотности время жизни ионов центр. пробкотроиа возрастало в ~ 10 раз посравнению с оценкой (2). Параметры плазмы центр. пробкотрона были при этомдовольно умеренными (в установке ТМХ, схема к-рой приведена на рис. 2,Ti~ 100 эВ, ni~1013 см 3).
Трудности повышения параметров плазмыв амбиполярных ловушках связаны гл. обр. с возможностью усиленного рассеянияионов концевых пробкотронов на надтепловых флуктуациях.
Неосесимметричные магн. поля, используемыедля стабилизации желобковой неустойчивости, могут быть источником усиленногопоперечного переноса плазмы, напоминающего неоклассич. перенос в замкнутыхловушках. Поэтому необходимо отыскать топологически несложные осесимметричныемагн. конфигурации, в к-рых плазма была бы устойчива по отношению к желобковымвозмущениям.
Т. н. антипробкотрон, возникающий при"встречном" включении двух соосных магн. катушек (рис. 1, в), -одна из обладающих таким свойством конфигурации.
Модуль магн. поля в этой ловушке обладаетабс. минимумом в центре системы, но этот минимум равен нулю. Соответственно, <вблизи центра антипробкотрона нарушается адиабатич. инвариантность 15027-125.jpgи плазма из этой области быстро теряется вдоль силовых линий. Для устраненияэтих потерь можно использовать в осевой А и кольцевой В щеляхантипробкотрона систему спец. электродов, предотвращающих потери электронов. <Удержание ионов будет тогда обеспечено собств. амбиполярным потенциаломплазмы. Техн. ограничения затрудняют экстраполяцию этой схемы к реакторнымпараметрам плазмы. Возможно, антипробкотроны найдут применение в качествестабилизирующего элемента в амбиполярных ловушках.
Совсем др. возможности увеличения времениудержания связаны с переходом к О. л. с длиной L, превышающей длинусвободного пробега ионов. Пример систем такого типа - многопробочная ловушка(МПЛ), предложенная в нач. 70-х гг. Установка имеет вид цепочки связанныхмежду собой пробкотронов (рис. 1, г), причём длина каждого меньше 15027-126.jpg.В такой О. л. время жизни плазмы возрастает в 15027-127.jpgраз по отношению к оценке (2).
Др. установка, относящаяся к этому классу,- т. н. газодинамич. ловушка (ГДЛ), представляющая собой пробкотрон с большимпробочным отношением (R =50 - 100) и с длиной L >15027-128.jpg/R. Времяжизни плазмы в ГДЛ в LR/15027-129.jpgразбольше оценки (2). Особенность ГДЛ состоит в том, что желобковая неустойчивостьв ней может быть подавлена даже в простой осесимметричной конфигурациимагн. поля.
Достоинством О. л. с L >15027-130.jpgIR (МПЛ, <ГДЛ) является то, что продольные потери плазмы из них не зависят от микрофлуктуаций, <недостатком - то, что длина таких установок (в реакторном варианте) относительновелика.

Лит.: Чуянов В. А., Адиабатическиемагнитные ловушки, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т.1, ч. 1, М., 1980; Чириков Б. В., Динамика частиц в магнитных ловушках, <в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 13, М., 1984; Рютов Д. Д., Ступаков Г. <В., Процессы переноса в аксиально-несимметричных открытых ловушках, тамже; Пастухов В. П., Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатическихловушках, там же; Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН", 1988, т. 154, с.565.

Д. Д. Рютов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ" в других словарях:

  • МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магн. поля, способные длительное время удерживать заряж. частицы или плазму в ограниченном объёме. Естеств. М. л. является, напр., магн. поле Земли, захватившее плазму солнечного ветра и удерживающее её в виде радиац. лоясов Земли.… …   Физическая энциклопедия

  • Магнитные ловушки — Магнитные ловушки. Схемы тороидальных магнитных ловушек: а токамак; б стелларатор. Стрелки показывают направление токов. МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ, конфигурации магнитного поля, способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • ПЛАЗМА — частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положит. и отрицат. зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое в во испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать темп ру и дальше, резко усилится процесс термич.… …   Физическая энциклопедия

  • ЛОВУШКА промысловая — накрывающее стояночное орудие лова рыбы и ракообразных с малых и средних добывающих судов, применяемое в прибрежной полосе морей и океанов. На мелководье используют открытые Ловушки, так называемые ставные невода, вертикальные стенки которых… …   Морской энциклопедический справочник

  • РЫБОЛОВНЫЕ ОРУДИЯ — орудия для лова рыб. По принципу действия делятся на отцеживающие, объячеивающие и ловушки. Отцеживающие Р. о. (их обычно используют при контрольных, промысловых и др. обловах рыбоводных прудов) задерживают рыбу, отцеживая воду через ячеи сетного …   Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

  • рыболовные орудия — рыболовные орудия, орудия для лова рыб. По принципу действия делятся на отцеживающие, объячеивающие и ловушки. Отцеживающие Р. о. (их обычно используют при контрольных, промысловых и других обловах рыбоводных прудов) задерживают рыбу, отцеживая… …   Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь

  • МАГНИТНЫЕ ЗЕРКАЛА — (магнитные пробки), (см. МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. МАГНИТНЫЕ ЗЕРКАЛА …   Физическая энциклопедия

  • ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ — корпускулярно оптич. системы, в к рых для фокусировки (целенаправленногоизменения фазового объёма потока заряж. частиц) используются электрич …   Физическая энциклопедия

  • ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДВИЖЕНИЕ — в электрическом и магнитном полях перемещение частиц в пространстве под действием сил этих полей. Ниже рассмотрены движения частиц плазмы, хотя нек рые положения являются общими и для плазмы твёрдых тел (металлов, полупроводников). Различают… …   Физическая энциклопедия

  • МАГНИТНОЕ УДЕРЖАНИЕ — плазмы удержание в ограниченном объёме высокотемпературной плазмы достаточно высокой плотности в течение длит. времени, необходимого для возможного осуществления управляемого термоядерного синтеза с помощью особых конфигураций (открытых и… …   Физическая энциклопедия

Книги

Другие книги по запросу «ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»