Опубликовано

Кабель резистивный нагревательный

ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
ОМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ТОРОИДАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
Академик
Л. А АРЦИМОВИЧ
Одно из основных направлений исследований по физике высокотемпе­ратурной плазмы, проводимых в Советском Союзе,— так называемая про­грамма «Токамак». Она получила название по имени семейства установок Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, на которых выполняются соответствующие эксперименты.
Как известно, плазма — это газ, в котором все атомы или значительная часть их потеряли принадлежавшие им электроны. Она представляет собой неразделимую массу быстро и беспорядочно движущихся положительных ионов и электронов. Заметим, что это основное состояние вещества в при­роде, потому что и Солнце и звезды являются сгустками горячей плазмы. Радиационные пояса Земли также представляют собой плазменные обра­зования, которые питаются плазменным солнечным ветром, исходящим от Солнца. Вблизи поверхности Земли находится плазменная оболочка — ионосфера, существование которой делает возможными радиопередачи на дальние расстояния. В технике плазма применяется в различных газораз­рядных приборах.
Какое же место занимала и занимает физика высокотемпературной плазмы в общем строе физических исследований?
Физика плазмы возникла в 20-х годах нашего века, но после того, как были получены некоторые основные представления о свойствах и структуре этого состояния вещества, она увяла. Увяла главным образом потому, что исчезли первоначальные стимулы, вызвавшие к жизни эту новую об­ласть, а для выявившихся тогда практических применений достаточно было первоначальной беглой разведки. В послевоенный период фактиче­ски произошло второе рождение физики плазмы. Оно было связано с появ­лением проблемы управляемого термоядерного синтеза, которая состоит в том, чтобы разработать методы технического использования избыточной энергии, хранящейся в ядрах легких элементов, прежде всего изотопов водорода — дейтерия и трития. Поскольку запасы дейтерия в Мировом океане практически безграничны, возможность использования такой энер­гии позволила бы человечеству раз и навсегда решить энергетическую проблему.
i Однако реакции, которые происходят с высвобождением энергии в лег­ких элементах, обладают некоторыми специфическими особенностями: они не могут развиваться в веществе, находящемся в обычном состоянии. Не­обходимо нагреть такое вещество до температуры, измеряемой многими миллионами, даже сотнями миллионов градусов, с тем чтобы у атомных
20 л. а. арцимович
ядер были достаточные шансы, столкнувшись друг с другом при большой скорости, преодолеть взаимное электростатическое отталкивание и всту­пить в реакцию. Значит, необходимое условие ядерного синтеза — сверх­высокая температура. Именно поэтому реакции синтеза названы термо­ядерными.
Но при такой температуре любое вещество перестает быть нейтральным и превращается в высокотемпературную плазму. Возникает необходимость изучения свойств этого нового состояния вещества.
Следует отметить, что недостаточно только нагреть вещество до очень высоких температур. Нужно еще, чтобы у каждой частицы была ве­роятность прореагировать с другими частицами. Обозначим время жизни частицы в плазме через τ. Чем больше τ, тем значительнее у частицы ве­роятность испытать ядерную реакцию. Существенную роль играет также концентрация плазмы, т. е. количество частиц в кубическом сантиметре. Обозначим его через п. Чем выше п, тем большее число партнеров встретит на своем пути быстрая частица за время жизни в плазме. Поэтому вероят­ность испытать ядерную реакцию для частицы пропорциональна величине концентрации.
Таким образом, необходимое условие ядерной реакции заключается в том, чтобы произведение пτ превышало некоторое определенное число. Для плазмы, состоящей из смеси дейтерия и трития, это величина порядка 1014. Например, при концентрации плазмы 1014 нужно, чтобы частицы жи­ли в ней около 1 сек. Температура при этом должна превосходить некото­рый минимум или, вернее, иметь некоторое оптимальное значение; для дейтерия оно составляет 300 млн градусов, а для смеси дейтерий — тритий будет в несколько раз ниже. Откуда вытекают эти требования? Нагревая вещество, мы сообщаем каждой его частице энергию, которую берем из внешнего источника. Нужно, чтобы термоядерная реакция, происходящая в веществе, восполнила эти первоначальные затраты энергии.
Итак, имеются два условия осуществления термоядерного синтеза — сверхвысокая температура плазмы и значение пτ больше 1014.
Как же нагреть плазму до сверхвысокой температуры и как длитель­ное время сохранить в ней накопленную энергию? Основная трудность за­ключается в том, что плазма обладает сверхвысокой теплопроводностью, превышающей теплопроводность металлов, и тепловая энергия уходит из нее необычайно быстро. Достаточно на мгновение предоставить плазму са­мой себе и быстро движущиеся частицы, из которых она состоит, уносят всю тепловую энергию на стенки аппаратуры.
Необходимо создать такие условия, чтобы плазма не соприкасалась ни с какими окружающими предметами, чтобы она была подвешена в вакууме и частицы из нее не могли уходить. Поскольку плазма состоит из заряжен­ных частиц, воздействовать на них можно магнитным полем. Идея исполь­зования магнитного поля для термоизоляции горячей плазмы родилась в 1950 г.; она была разработана А. Д. Сахаровым совместно с И. Е. Таммом.
Чтобы понять идею термоизоляции, нужно ясно представить себе, как движутся частицы в отсутствие магнитного поля и при его наличии. На рис. 1 показано движение частиц плазмы в свободном пространстве. Все направления движения равноправны.
Включим магнитное поле. Теперь частицы могут свободно двигаться лишь вдоль его силовых линий по винтовым траекториям (рис. 2). Чем больше напряженность поля, тем меньше радиус винтовой линии.
Сущность идеи магнитной термоизоляции заключается в том, что в плазме и вокруг нее создается магнитное поле, силовые линии которого дол­жны идти параллельно границе плазмы. Это резко снижает уход энергии из
^ ОМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ТОРОИДАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
21
плазмы за счет уменьшения теплопроводности и диффузии в направлении, перпендикулярном магнитному полю.
С макроскопической точки зрения можно посмотреть на вопрос не­сколько иначе. Можно сказать, что плазма — это газ, обладающий опреде­ленным давлением, которое нужно как-то уравновесить. Кинетическому давлению газа противопоставляется давление магнитного поля, играющего роль невидимой оболочки вокруг плазмы.
Идея магнитной термоизоляции сначала казалась физикам чем-то вроде (волшебной палочки, с помощью которой можно открыть дверь в термоядер­ное Эльдорадо. Однако ни одна другая проблема не ударяла столь сильно но их самомнению. Мы встретились с такими трудностями, что все перво­начальные надежды исчезли вскоре после того, как началась эксперимен­тальная разработка. Были периоды глубокого пессимизма, когда казалось, что проблема вообще не может быть решена, и периоды относительного оп­тимизма, когда появлялась надежда на ее решение за более или менее про­должительные периоды времени. Но независимо от этого стало очевидно, что в первую очередь нужно создать научный фундамент проблемы. Таким фундаментом и является физика высокотемпературной плазмы. Можно сказать, что исследования по управляемому синтезу и по физике высоко­температурной плазмы по существу синонимы.
Интересная особенность этой новой области науки состоит в том, что ее главная задача заключается в создании самого объекта исследования — высокотемпературной плазмы. Мы занимаемся этим в течение многих лет, постепенно повышая физические параметры плазмы: увеличиваем ее тем­пературу, повышаем концентрацию, удлиняем время жизни частиц в экс­периментальных установках.
Перейдем к рассмотрению конкретных методов реализации общей идеи магнитной термоизоляции. Чтобы обеспечить достаточное время жизни частиц в плазме, надо создать такую магнитную систему, в которой части­цы могли бы свободно двигаться вдоль силовых линий, а сами силовые ли­нии не выходили бы из ограниченной области пространства. Тогда мы по­лучим стационарную ограниченную плазменную конфигурацию.
На рис. 3 показана простейшая в принципе система. Мы создаем с по­мощью тороидальной катушки продольное магнитное поле (обозначим его Нθ). а внутри его — замкнутый кольцевой плазменный виток. Такова была самая первая и наиболее соблазнительная идея. Но она страдает одним су­щественным недостатком: магнитное поле, создаваемое тороидальной ка­тушкой, неоднородно, на внутренней стороне катушки оно больше, чем на внешней. Несложные расчеты показывают, что в такой системе плазма не может находиться в равновесии. Это следует как из макроскопических со­ображений (давление плазмы снаружи удерживается более слабым полем,
22
^ Л. А. АРЦИМОВИЧ
силовые линии вокруг плазменного витка (рис. 4). Складываясь вместе, магнитное поле тока и продольное магнитное поле образуют суммарное поле, силовые линии которого имеют винтовую структуру и создают так называемые магнитные поверхности.
Теперь дрейф частиц, о котором говорилось выше, компенсируется и си­стема становится прекрасной ловушкой для отдельных частиц. Однако с точки зрения равновесия плазмы в целом вновь появляются трудности. Любая электродинамическая система стремится увеличивать свою индук­тивность, в частности, виток с током стремится растянуться. Это общее свойство всех электродинамических систем. Когда мы пропускаем ток по плазме, такой кольцевой виток с током тоже стремится растянуться, увели­чить свой радиус.
Казалось бы, мы вновь очутились у разбитого корыта. Но остается сде­лать еще один шаг — и все станет на свое место. Достаточно добавить к соз­данным нами двум магнитным полям третье, слабое иоле, направленное перпендикулярно плоскости плазменного витка. Такое поле, взаимодей­ствуя с током, может удержать виток от расширения.
Однако самое интересное заключается в том, что такое поле можно соз­дать автоматически, без всяких внешних усилий. Представим себе разрез тороидальной системы, в которой создана плазма. По плазме течет ток, стремящийся расшириться. Окружим плазму толстым слоем меди с по­мощью медной оболочки вокруг тороидальной камеры. При расширении плазменного витка с током силовые линии его магнитного поля будут пере­секать медную оболочку и в ней возникнут индукционные токи, которые принято называть токами Фуко. Они текут в обратном по отношению к ос­новному току направлении.
Обратные токи будут отталкивать основной ток. Таким образом, сме­щение его вызывает появление противодействующей силы. При некотором определенном смещении основного тока вся система автоматически ока­жется в равновесии.
^ ОМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ТОРОИДАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
23
Можно, конечно, создать также дополнительное внешнее поле. Но уже —помещения плазменного витка в медную проводящую оболочку достаточ­но, чтобы удовлетворить основное условие равновесия.
Мы пришли к следующей системе: продольное магнитное поле, поле тока в плазме и токи Фуко в медной оболочке. При этом расчет показы­вает, что фактически равновесие плазменного витка определяется только полем тока в плазме и возбуждаемыми им токами Фуко. Продольное маг­нитное поле не входит в условие равновесия. Может быть, вообще от него отказаться? Оставить только поле тока?
Но если перейти от условий рав­новесия к условиям устойчивости, сразу же выясняется, что продольное поле необходимо для сохранения устойчивости системы. Без продоль­ного поля плазменный виток с током немедленно становится жертвой круп­номасштабных, быстро развивающих­ся неустойчивостей.
Таким образом, устанавливается естественное распределение функций между разными элементами системы. Ток, текущий по плазме, выполняет две функции: удерживает плазму в равновесии и греет ее. Он же созда­ет и сам объект исследования — плаз­му. Продольное магнитное поле образует жесткий каркас из силовых ли­ний, обеспечивающий устойчивость плазменного витка. Поле токов Фуко фиксирует положение витка в камере, удерживая его от расширения.
На этом принципе и основаны установки типа «Токамак». Плазма гре­ется в них током, проходящим вдоль витка, и стабилизируется сильным продольным магнитным полем. Такая система может быть устойчивой, если напряженность продольного поля много больше напряженности поля, создаваемого током.
На рис. 5 показан схематический чертеж установки. Тороидальная ка­мера изготавливается из тонкой нержавеющей стали. Вокруг камеры — толстая медная оболочка. Продольное магнитное поле создается с помощью катушки, надетой на внешнюю поверхность тороида. Ток в плазме созда­ется трансформатором, вторичной обмоткой которого является плазменный виток. Вся система откачивается, причем отдельно — внутренняя камера и отдельно — пространство между ней и внешней камерой. Нержавеющая сталь выбрана в качестве материала для внутренней камеры в связи с тем, что ее можно нагревать до высоких температур и таким образом очищать ют загрязнений. Для внешней камеры в этом нет необходимости.
Несколько слов о параметрах этих установок и об основных результа­тах проводимых на них исследований.
Магнитное поле в самой большой установке достигает 30 тыс. э, ток в камере составляет 150 тыс. а. Радиус системы — 1 м. Радиус плазменного витка — около 15 см. Процесс, конечно, импульсный, ток возбуждается ин­дукционным путем. Длительность процесса составляет 50—70 мсек.
Для исследований свойств плазмы применяются самые разнообразные методы диагностики. Измеряется целый ряд параметров плазмы: сила тока, напряжение, положение плазменного витка. Когда плазма находится в маг­нитном поле, она вытесняет из себя поле, и по величине этого вытесненного поля можно вычислить запас тепловой энергии плазмы. Таким образом,
^ 24 Л. А. АРЦИМОВИЧ
запас тепловой энергии определяется с помощью магнитных измерений. Исследуется также интенсивность различных спектральных линий, хотя плазма почти невидима: температура настолько высока, что практически все нейтральные атомы выгорают с самого начала, а тяжелые примеси ионизируются до такого уровня, что излучение происходит в далекой уль­трафиолетовой области.
С помощью методики, разработанной в ленинградском Физико-техни­ческом институте им. А. Ф. Иоффе, измеряется температура ионов. Прин­цип методики состоит в том, что быстрые ионы, соударяясь с холодными нейтральными атомами, в небольшом количестве попадающими внутрь плазмы, превращаются в быстрые нейтральные атомы, которые свободно выходят из системы, так как магнитное поле на них не влияет. Вне уста­новки атомы снова ионизуются и их энергия измеряется. Таким образом удается узнать распределение энергии частиц в плазме.
^ ОМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ТОРОИДАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
25
Здесь Q — тепло, которое выделяется током в единицу времени и идет на то, чтобы увеличивать запас тепловой энергии плазмы и компенсировать потери энергии из нее. Эти потери энергии записаны в виде wτ, где w — энергия, заключенная в плазме, τ — время, в течение которого энергия со­храняется в ней;
τ — это наиболее важная величина, характеризующая ка­чество термоизоляции системы.
Время жизни энергии в плазме т растет, во-первых, с увеличением ра­диуса а сечения плазмы пропорционально квадрату этого радиуса, а во-вто­рых — с повышением концентрации и температуры плазмы. Это эмпиричен екая закономерность. Она показывает, что качество термоизоляции улуч­шается с повышением температуры. Иначе говоря, величина τ растет с уве­личением силы тока в плазме.
В оптимальном случае для самой большой установки при максималь­ной силе тока порядка 100—150 ка при плотности плазмы 5·1013 τ равно 15 мсек. Много это или мало?
Для высокотемпературной плазмы довольно много. Если ироэкстрапо-лировать эту величину в расчете на установку несколько большего размера, чем та, которой мы пользуемся сейчас, то оказывается, что при напряжен­ности продольного магнитного поля около 50 тыс. э и радиусе плазменного шнура 40—50 см мы сможем достигнуть времени удержания энергии плаз­мы порядка долей секунды.
Время жизни энергии в плазме, полученное экспериментально, оказа­лось во много раз меньше величины, которую предсказывала классическая теория процессов диффузии и теплопроводности плазмы в магнитном поле. По классической теории скорости диффузии и теплопередачи в плазме определяются величиной продольного магнитного поля Нθ. То, что экспе­риментальные значения во много раз отличаются от расчетных, до послед­него времени объясняли «тихими» неустойчивостями, постепенно разру­шающими организм плазменного шнура.
Однако недавно Р. 3. Сагдеев со своим сотрудником А. А. Галеевым пересмотрели основы теории термоизоляции и к удивлению всех теорети­ков выяснили, что скорости диффузии и теплопередачи определяются не продольным магнитным полем, а магнитным полем тока, которое во много раз меньше. Если ввести результаты Сагдеева в классическую теорию, она дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.
26
^ Л. А. АРЦИМОВИЧ
Все, что мы делали, преследовало цель в конце концов решить проблему управляемого термоядерного синтеза. Насколько же далеко мы ушли от начала и какую часть пути прошли?
Термоядерное Эльдорадо лежит за значениями пτ ≈10!4 и Т ≈ 100 млн град. Мы начали свои исследования от температур плазмы около 100 тыс. град, и пτ около 107. За 18 или 19 лет, прошедшие с того момента, когда была высказана идея управляемого термоядерного синтеза, мы поднялись до температур порядка 5 млн град, и продвинулись по величине пτ пример­но в 10 000 раз.
Какие у нас шансы пройти дальше?
Используя омический нагрев, мы можем продвинуться по температуре еще в четыре — пять раз, но не дойдем до области управляемого синтеза. Омический нагрев, по-видимому, почти исчерпывает свои возможности. Он становится неэффективным, потому что проводимость плазмы очень бы­стро растет, сопротивление ее сильно падает и выделяющееся тепло, про­порциональное I2R, оказывается недостаточным для того, чтобы преодо­леть даже незначительные потери.
Вероятно, в дальнейшем мы будем применять в наших системах нагрев плазмы с помощью высокочастотных полей. Это не означает, конечно, что мы откажемся от тока, текущего по плазме,— он нам нужен для того, что­бы поддерживать ее в равновесии.
Можно использовать и метод так называемой магнитной накачки. Пред­ставим себе, что мы периодически изменяем напряженность магнитного поля, благодаря чему то сжимаем, то расширяем плазменный шнур. При этом происходит его нагрев. Это трудно сделать, быстро изменяя продоль­ное магнитное поле во времени, но можно гонять плазменный шнур из об­ласти более сильного поля в область более слабого, т. е. вести пространст­венную магнитную накачку.
Заканчивая рассказ об экспериментальной программе «Токамак», по­пытаемся ответить на вопрос: можно ли построить термоядерный реактор?
Принципиальных возражений против такой возможности нет. На пер­вом этапе реакторы, по-видимому, будут работать на смеси дейтерия и три­тия. Конечно, это не есть кардинальное решение проблемы, так как тритий придется получать из лития, запасы которого на Земле ограничены. Но мы находимся в настоящее время на таком техническом уровне, когда гово­рить о реакторе на чистом дейтерии нецелесообразно.
Не следует ли уже сейчас начать проектирование и создание термо­ядерного реактора на смеси дейтерия и трития, если в принципе это воз­можно?
Вспомним, что еще 50 лет назад К. Э. Циолковский показал принципи­альную возможность космических полетов. Однако уровень техники тогда не позволял реализовать эту возможность. То же самое можно сказать о проблеме управляемой термоядерной реакции. Размеры термоядерного реактора на смеси дейтерия и трития и требования к его элементам таковы, что они выходят за рамки сегодняшнего уровня техники. Это уровень бли­жайших 10—20 лет.
Если же говорить о реакции на чистом дейтерии, то ее осуществление требует таких больших магнитных полей и в таком грандиозном объеме, что даже в рамках двадцатилетия трудно предполагать возможность созда­ния соответствующего реактора.
Если объем дейтериево-тритиевого реактора будет определяться диа­метром поперечного сечения камеры порядка 2 м при магнитном поле око­ло 100 тыс. а, то для чистого дейтерия должно быть создано магнитное поле
^ ОМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ТОРОИДАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 27
около 200 тыс. э и камера с диаметром сечения 10 м. Это настолько боль­шие цифры, что при сегодняшнем уровне техники говорить о них не при­ходится.
В заключение заметим, что «Токамак» — это только одна из программ на пути к управляемому термоядерному синтезу. Существенные ее досто­инства — простота и высокая симметрия магнитной системы.
Американские исследователи пошли по пути использования более слож­ных магнитных систем, но сложные магнитные поля сами обладают не­устойчивостью и в результате вносят дополнительные неустойчивости в эти системы.
Мы все время говорили о квазистационарных процессах, где время жиз­ни энергии в плазме т составляет доли секунды. Но ведутся работы и в про­тивоположном направлении, когда пытаются осуществить быстрый про­цесс и получить необходимую величину произведения пτ за счет очень больших пτ при очень малых τ. Например, можно разогреть плазму пропус­канием коротких импульсов очень большого тока (мы начинали с экспери­ментов именно в этом направлении) или с помощью коротких мощных ла­зерных импульсов.
Существует и ряд промежуточных направлений.
Вероятно, с помощью лазеров можно будет получить физическую тер­моядерную реакцию, но трудно представить, что таким путем удастся ре­шить техническую проблему управляемого термоядерного синтеза. Расче­ты показывают, что при осуществлении быстрого процесса в системе фак­тически произойдет микровзрыв мощностью около тонны нормальной взрывчатки, который разнесет на куски всю аппаратуру. Но лазеры могут оказаться полезными в качестве вспомогательного средства нагрева плаз­мы.
В настоящее время дальше всего позволили продвинуться по пути к осу­ществлению управляемого термоядерного синтеза системы с магнитной термоизоляцией, которым была посвящена большая часть данного сообще­ния. Следует, однако, подчеркнуть, что создание термоядерного реактора на этом принципе может стать технически осуществимым и экономически выгодным лишь после решения проблемы создания магнитных полей с по­мощью сверхпроводников.
УДК 533.9

омический нагрев

Смотреть что такое «омический нагрев» в других словарях:

  • омический нагрев — — Тематики электротехника, основные понятия EN ohmic heatingOH … Справочник технического переводчика

  • 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,… … Физическая энциклопедия

  • ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ — термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез это реакция, обратная делению атомов: в последней… … Энциклопедия Кольера

  • Токамак — Магнитное поле токамака и поток. Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза … Википедия

  • ПОТЕРИ — (1) информации невыдача информационной поисковой системой документов или фактов на конкретный информационный запрос; (2) П. магнитные электромагнитная энергия, превращающаяся в теплоту в ферромагнитных материалах при периодическом… … Большая политехническая энциклопедия

  • Графен — Пожалуйста, актуализируйте данные В этой статье данные предоставлены преимущественно за 2007 2008 гг … Википедия

  • ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Происходит при низкой темп ре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде ( … Физическая энциклопедия

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *