Магнитное удержание плазмы

Магнитное удержание плазмы — это метод изоляции высокотемпературной плазмы от стенок реактора с помощью магнитного поля, используемый в экспериментальных термоядерных установках для создания условий, необходимых для протекания реакции термоядерного синтеза. Основная цель магнитного удержания — удержать плазму с температурой в десятки и сотни миллионов градусов Цельсия в течение времени, достаточного для преодоления кулоновского барьера между ядрами и получения положительного энергетического выхода.

Физические основы

Плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов. В силу высокой температуры (порядка 10–100 кэВ, что соответствует сотням миллионов градусов) частицы обладают огромной кинетической энергией. При контакте со стенками камеры плазма мгновенно остывает, а стенки разрушаются. Поэтому для удержания плазмы используют магнитное поле, которое воздействует на заряженные частицы силой Лоренца.

Движение заряженных частиц в магнитном поле

В однородном магнитном поле заряженная частица движется по спирали вокруг силовых линий поля. Радиус ларморовского вращения (гирорадиус) для ионов и электронов различен и обратно пропорционален напряжённости магнитного поля. В неоднородном поле возникает дрейф частиц, который может приводить к потерям. Для стабильного удержания необходимо, чтобы магнитное поле было замкнутым (топологически — тороидальным), иначе частицы будут уходить вдоль силовых линий на стенки.

Критерий Лоусона

Для достижения самоподдерживающейся термоядерной реакции (зажигания) необходимо выполнение критерия Лоусона: произведение плотности плазмы n на время удержания энергии τE должно превышать определённое значение. Для реакции дейтерий-тритий (D–T) это значение составляет около 10²¹ м⁻³·с при температуре порядка 10–20 кэВ. Магнитное удержание позволяет достичь сравнительно невысокой плотности (10¹⁹–10²⁰ м⁻³) при большом времени удержания (от долей секунды до нескольких минут), в отличие от инерциального удержания, где плотность на много порядков выше, а время — наносекунды.

Основные типы установок магнитного удержания

Токамак

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — наиболее изученный и распространённый тип установки магнитного удержания. Разработан в 1950-х годах в СССР под руководством И. В. Курчатова и А. Д. Сахарова. В токамаке плазма удерживается в тороидальной камере с помощью двух основных компонентов магнитного поля:

• Тороидальное поле, создаваемое внешними катушками, обеспечивает основное удержание.
• Полоидальное поле, создаваемое индуцированным в плазме током, стабилизирует плазменный шнур и предотвращает дрейф частиц.

В токамаках плазма нагревается омическим нагревом (за счёт протекания тока), а также дополнительными методами: инжекцией нейтральных пучков и ионно-циклотронным нагревом. Крупнейшие действующие токамаки: JET (Великобритания), JT-60SA (Япония), KSTAR (Южная Корея). Строящийся международный проект ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) также является токамаком.

Стелларатор

Стелларатор — тип установки, в котором магнитное поле полностью создаётся внешними катушками сложной формы, без необходимости индуцировать в плазме продольный ток. Это устраняет ряд проблем, присущих токамакам, в частности, риск срыва тока и необходимость в импульсном режиме работы. Однако конструкция стеллараторов значительно сложнее. Крупнейшим стелларатором является Wendelstein 7-X (Германия), введённый в эксплуатацию в 2015 году.

Зеркальная ловушка (открытая ловушка)

В зеркальных ловушках (пробкотронах) плазма удерживается в прямолинейном магнитном поле с пробками — участками с повышенной напряжённостью поля на концах. Частицы, движущиеся вдоль силовых линий, отражаются от пробок, если их продольная скорость не слишком велика. Однако такие системы не являются полностью замкнутыми: часть частиц с высокой продольной энергией покидает ловушку через пробки. В СССР и России (Институт ядерной физики СО РАН) разрабатывались газодинамические ловушки (ГДЛ) и амбиполярные ловушки, которые позволяют улучшить удержание.

Торсатрон и другие

Торсатрон — разновидность стелларатора с винтовыми катушками. Существуют также гибридные схемы (например, токамак-стелларатор), а также компактные тороидальные системы (сферические токамаки, например, NSTX-U в США и Globus-M2 в России).

Проблемы и ограничения

Неустойчивости плазмы

В установках магнитного удержания возникают различные типы неустойчивостей:

• Желобковые неустойчивости — связаны с градиентом давления и приводят к выбросу плазмы на стенки.
• Тиринг-моды — разрывы магнитных поверхностей, приводящие к срыву тока в токамаках.
• Альфвеновские моды — колебания, возбуждаемые быстрыми частицами.

Для подавления неустойчивостей применяют системы обратной связи, специальные профили тока и давления, а также диверторные устройства.

Потери энергии и примеси

Плазма теряет энергию за счёт теплопроводности вдоль и поперёк магнитного поля, а также за счёт излучения. Примеси (атомы стенок, углерод, вольфрам) попадают в плазму и, ионизируясь, сильно увеличивают радиационные потери. Для снижения примесей используют дивертор — специальное устройство, отводящее поток частиц из плазмы на охлаждаемые пластины.

Материалы первой стенки

Материалы, контактирующие с плазмой, должны выдерживать высокие тепловые нагрузки (до 10–20 МВт/м² в диверторе ITER) и эрозию. В современных установках применяют бериллий, вольфрам и углерод-углеродные композиты. В ITER планируется использование бериллия на первой стенке и вольфрама в диверторе.

Современное состояние и перспективы

Наиболее значимым проектом в области магнитного удержания является ITER (организация «ITER International Fusion Energy Organization» — проект, в котором участвуют Россия, ЕС, США, Китай, Япония, Южная Корея, Индия). ITER строится на юге Франции (Кадараш) и должен продемонстрировать возможность получения термоядерной мощности в 500 МВт при затратах 50 МВт (коэффициент усиления Q=10). Первая плазма ожидается в 2030-х годах.

В России ведутся исследования на токамаках Т-10, Т-15МД (в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт»), а также на сферическом токамаке «Глобус-М2» (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе). Разрабатывается проект демонстрационного термоядерного реактора ДЕМО-ТИН.

Параллельно развиваются альтернативные концепции: сферические токамаки, стеллараторы, открытые ловушки, а также компактные реакторы на основе высокотемпературных сверхпроводников (например, проект SPARC компании Commonwealth Fusion Systems).

Применение

Основное применение магнитного удержания — создание термоядерного реактора для производства электроэнергии. Преимущества термоядерной энергетики: практически неисчерпаемое топливо (дейтерий и литий, из которого получают тритий), отсутствие парниковых газов, низкая радиоактивность отходов по сравнению с делением. Однако коммерческое использование термоядерных реакторов на основе магнитного удержания ожидается не ранее середины XXI века.

Источники

• Арцимович Л. А. «Управляемые термоядерные реакции». — М.: Физматгиз, 1961.
• Кадомцев Б. Б. «Коллективные явления в плазме». — М.: Наука, 1988.
• Wesson J. «Tokamaks». — 4th ed. — Oxford University Press, 2011.
• ITER Organization. «ITER Technical Basis». — IAEA, 2002.
• Материалы Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (раздел «Термоядерный синтез»).