Торсатрон

Торсатрон — это тип магнитной ловушки для удержания высокотемпературной плазмы, предназначенный для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Относится к классу стеллараторов, в которых конфигурация магнитного поля для удержания плазмы создаётся исключительно внешними катушками с током, без использования продольного тока в самой плазме (в отличие от токамаков). Торсатрон характеризуется винтовой (тороидальной) геометрией магнитных катушек, которые навиты на тороидальную камеру в виде спирали, что позволяет создавать замкнутые магнитные поверхности.

История

Концепция стеллараторов была предложена в 1951 году американским физиком Лайманом Спитцером. Однако идея использования винтовых катушек, навитых непосредственно на тороидальную камеру, была развита в 1960-х годах в СССР, в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова (ныне НИЦ «Курчатовский институт»). Первые теоретические работы по торсатронам были выполнены под руководством академика Л. А. Арцимовича и его учеников, в частности, В. Д. Шафранова.

Название «торсатрон» (от лат. torsio — скручивание и греч. -трон — суффикс для обозначения устройств) было предложено для обозначения установок, в которых магнитное поле создаётся комбинацией тороидального поля и поля винтовых обмоток. В отличие от классического стелларатора, где используются отдельные катушки для создания тороидального и полоидального полей, в торсатроне винтовая обмотка выполняет обе функции одновременно.

Первая экспериментальная установка — торсатрон Т-1 — была запущена в Курчатовском институте в 1970 году. Она представляла собой малую установку с тороидальным радиусом около 0,5 м и радиусом плазмы 0,1 м. Эксперименты на Т-1 подтвердили принципиальную возможность создания замкнутых магнитных поверхностей с помощью винтовых обмоток и удержания плазмы с температурой до нескольких десятков электронвольт.

В 1970–1980-х годах в СССР были построены более крупные торсатроны: Т-2, Т-3, а также установка «Ураган» в Харьковском физико-техническом институте (Украина). Параллельно исследования велись в Японии (установка Heliotron E, 1980–1990-е годы) и в Германии (Wendelstein 7-AS, 1988–2002). В 1990-х годах в Японии был запущен крупный торсатрон Large Helical Device (LHD), который остаётся крупнейшей установкой этого типа на сегодняшний день.

Устройство и принцип работы

Магнитная система

Основным элементом торсатрона является винтовая обмотка, представляющая собой спираль, навитую на тороидальную камеру. Число заходов винта (периодов) и его шаг определяют конфигурацию магнитного поля. Винтовая обмотка создаёт как тороидальную (продольную) компоненту поля, так и полоидальную (поперечную), необходимую для вращательного преобразования силовых линий.

В дополнение к винтовой обмотке могут использоваться:

• Тороидальные катушки — для регулировки величины тороидального поля.
• Вертикальные катушки — для коррекции положения плазменного шнура и управления его равновесием.
• Катушки управления — для подавления нежелательных мод неустойчивости.

Удержание плазмы

В торсатроне магнитное поле удерживает плазму в форме тороидального шнура. Вращательное преобразование, создаваемое винтовой обмоткой, предотвращает дрейф заряженных частиц к стенкам камеры. В отличие от токамака, в торсатроне не требуется индукционного тока в плазме для её стабилизации, что позволяет работать в стационарном режиме (без импульсного характера, свойственного токамакам).

Вакуумная камера

Плазма помещается в вакуумную камеру сложной формы, повторяющей контур винтовой обмотки. Камера изготавливается из нержавеющей стали или других материалов, стойких к воздействию высокотемпературной плазмы и нейтронного облучения. Внутренние стенки камеры могут быть покрыты защитными материалами (например, графитом или бериллием) для уменьшения загрязнения плазмы примесями.

Классификация

Торсатроны классифицируются по различным признакам:

• По числу заходов винтовой обмотки: одно-, двух-, трёхзаходные и т. д. Чем больше заходов, тем сложнее конфигурация, но выше устойчивость плазмы.
• По способу создания поля: классические торсатроны (с одной винтовой обмоткой) и гелиотроны (с несколькими винтовыми обмотками, расположенными с определённым сдвигом).
• По размеру: малые (радиус плазмы менее 0,3 м), средние (0,3–1 м) и крупные (более 1 м).

Сравнение с токамаком

Применение

Основное применение торсатронов — исследования в области управляемого термоядерного синтеза. На них изучаются:

• Физика удержания плазмы: транспорт частиц и энергии, турбулентность, неоклассические эффекты.
• Устойчивость плазмы: моды неустойчивости, срывы, влияние магнитных конфигураций.
• Взаимодействие плазмы со стенками: эрозия, осаждение примесей, управление потоком тепла.
• Нагрев плазмы: методы нагрева (электронный циклотронный резонанс, ионный циклотронный резонанс, нейтральная инжекция).
• Диагностика плазмы: разработка методов измерения температуры, плотности, магнитного поля.

Торсатроны также используются для тестирования материалов и компонентов, предназначенных для будущих термоядерных реакторов.

Крупнейшие установки

• Large Helical Device (LHD) — Япония, Национальный институт термоядерной науки (Токи). Крупнейший действующий торсатрон. Запущен в 1998 году. Тороидальный радиус 3,9 м, радиус плазмы 0,6 м. Достигнуты температуры ионов до 13 кэВ и электронов до 10 кэВ.
• Wendelstein 7-X — Германия, Институт физики плазмы имени Макса Планка (Грайфсвальд). Строго говоря, является стелларатором, но его конструкция близка к торсатрону. Запущен в 2015 году. Тороидальный радиус 5,5 м, радиус плазмы 0,5 м. Считается наиболее совершенным стелларатором в мире.
• Ураган-3М — Украина, Харьковский физико-технический институт. Модернизированная версия торсатрона «Ураган-3». Работает с 1990-х годов. Тороидальный радиус 1,2 м, радиус плазмы 0,2 м.
• Т-15МД — Россия, НИЦ «Курчатовский институт» (Москва). Хотя эта установка является токамаком, в её конструкции используются элементы торсатрона (винтовые обмотки для управления формой плазмы).

Перспективы

Торсатроны рассматриваются как альтернатива токамакам для создания термоядерных реакторов нового поколения. Их главное преимущество — стационарный режим работы, что критически важно для промышленного производства энергии. Однако высокая сложность и стоимость изготовления винтовых катушек, а также более низкие значения коэффициента бета ограничивают их применение.

В настоящее время ведутся работы по оптимизации магнитных конфигураций торсатронов с использованием компьютерного моделирования. Разрабатываются проекты гибридных установок, сочетающих преимущества торсатрона и токамака. В России, в рамках программы развития термоядерной энергетики, рассматривается возможность создания крупного торсатрона нового поколения на базе НИЦ «Курчатовский институт».

Источники

• Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. — М.: Физматгиз, 1963.
• Шафранов В. Д. Магнитные ловушки для удержания плазмы. — М.: Атомиздат, 1972.
• Кадомцев Б. Б. Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. — М.: Наука, 1985.
• Морозов А. И. Введение в физику плазмы. — М.: МИФИ, 2008.
• Large Helical Device (LHD) — официальный сайт Национального института термоядерной науки (Япония).
• Wendelstein 7-X — официальный сайт Института физики плазмы имени Макса Планка (Германия).
• Отчёты НИЦ «Курчатовский институт» по проектам Т-1, Т-2, Т-3.