Отворени капани - Физическа енциклопедия
ОТВОРЕНИКАПАНИ - вид магнитни капани за задържане на термоядрена плазма в определен обем пространство, ограничено по посока на полето. За разлика от затворените капани (токамаци, стеларатори), имащи формата на тороид, за O. l. линейната геометрия е характерна, а силовите линии са магнитни. полетата пресичат крайните повърхности на плазмата (последното обстоятелство е произходът на термина "O. l." - те са "отворени" откъм краищата). О. л. имат редица потенциали. предимства в сравнение със затворените: те са по-прости в инженерно отношение, те използват по-ефективно енергията на магнита, ограничаващ плазмата. поле, по-лесно е да се реши проблемът с отстраняването на тежки примеси и продукти от термоядрена реакция от плазмата, мн. разновидности на O. l. може да работи в напълно стационарен режим. Въпреки това, възможността за реализиране на тези предимства в термоядрен реактор, базиран на O. l. изисква повече експерименти. доказателства. Вероятен резервоар - макс. общ тип O. l. (фиг. 1, а). Предложено в началото 1950 г независимо Г. И. Будкер и Р. Пост (R. Post). Зони със силно магнитно поле полетата в краищата на този капан задържат плазмата, така се наричат. магн. щепсели.
Ориз. Фиг. 1. Различни видове отворени магнитни капани (точките показват плазма): а - огледална клетка; b - амбиполярен капан (O - дълга централна огледална клетка, 1 - къси крайни огледални клетки); c - антипробкотрон (0 - чувал с магнитно поле, A - аксиална междина, B - пръстеновидна междина); d - многоогледален капан.
Задържането на частицата в огледалната клетка се дължи на адиабата. инвариантността на неговия магнитен момент, който се осъществява при условия, когато ларморовият радиус на частицата е малък в сравнение с мащаба на изменението на магнет. полета (вж. Адиабатни инварианти) В нерелативистичното приближение магн. моментчастици, където H е магнитната сила. полета, а m и - маса и перпендикулярна на магн. компонент на полето на скоростта на частиците. От адиабат на инвариантността и закона за запазване на енергията на частиците, следва, че при условие (където Hmax е максималната стойност на магнитното поле в огледалата), частицата се отразява от огледалата и извършва ограничено движение вътре в капана. Ако обозначим стойностите на всички стойности при минимума на магнитното поле с индекс "0". полета, тогава условието може да бъде записано като
Стойността на R извик. "коркова релация". От условие (1) следва, че за дадено съотношение на полетата Hmax и H0, само тези частици се задържат в капана, чийто вектор на скоростта лежи в скоростното пространство извън "конуса на загуба" [конус с ос, успоредна на магнитното поле. поле и с ъгъл в горната част = В осесиметрична огледална клетка плазмата, като правило, е подложена на нестабилност на флейта, което води до изтичане на плазма през магнитното поле. полета под формата на тесни езици. Нестабилността възниква, защото в такава огледална клетка магнитният модул полето намалява в радиална посока и за плазмата е енергийно изгодно да се придвижи към областта на слаба нула. За стабилизиране на нестабилността на флейтата се използват неосесиметрични магнити. полета с абс. минимум H в зоната на задържане. Пробните клетки се пълнят с гореща плазма чрез инжектиране на бързи водородни атоми. Прониквайки през магнитното полета в плазмата, те се улавят там в резултат на йонизация и презареждане и осигуряват поддържане на материалната и енерг. плазмен баланс. През 1976 г. квазистационарна плазма с плътност
10 14 cm -3 и температурата на йоните Ti 10 8 K. Еластичният сблъсък на плазмените йони един с друг води до тяхното разсейване, попадане в конуса на загубите и напускане на огледалната клетка. Изчисленията показват, че се определя от този процесживотът на плазмата в огледалната клетка може да се изчисли от формулата
където е времето на разсейване на йони под ъгъл от порядъка на единица. Тази оценка е валидна при условия, когато дължината на огледалната клетка е малка в сравнение със средния свободен път на йони Времето на разсейване на електрони е много кратко в сравнение с и следователно функцията на разпределение на електрони е близка до Максуелова. По-специално, той е изотропен, тоест означава някои от електроните са в конуса на загубите и могат да избягат от капана през огледалата. При такива условия квазинеутралността на плазмата се осигурява от възникващия в нея амбиполярен електрически ток. поле, предотвратяващо загубата на електрони. Разпределението на амбиполярния потенциал по определена линия на магнитното поле. полетата са дадени от f-loy
където Te е скоростта на електроните, n е локалната плътност на плазмата. Амбиполярен електрически. полето води до известно влошаване на задържането на йони. Допълнително. намаляването на живота на йоните води до тяхното разсейване върху надтермични колебания на електричество. полета, това може да възникне поради анизотропията на функцията за разпределение на йони (анизотропията е свързана с отсъствието на йони в конуса на загубата). Сравнително краткият живот в огледална клетка прави перспективите за използване на такива системи като термоядрени реактори не много благоприятни. В тази връзка по различно време бяха предложени няколко подобрени видове O. l., базирани на идеята за корктрон.
Амбиполярен капан. Една от възможностите за увеличаване на времето на задържане на йони е свързана с използването на амбиполярно електричество. полета. Към дългата огледална клетка O (фиг. 1, b) с плазма с умерена плътност е прикрепена от всяка страна къса огледална клетка 1, в която с помощта на интензивно инжектиране се добавя високоенергийна плазма. неутралните атоми поддържат висока плътност на плазмата. Тогава, съгласно (3), междуцентралните и крайните огледални клетки възниква потенциална разлика, равна на (Te/e)1n(n1/n0), а за централните йони. корктронът изглежда е-статичен. мощен. яма. При достатъчно голяма разлика в плътността дълбочината на кладенеца ще бъде толкова голяма, че загубата на йони от центъра. огледалната клетка ще стане незначителна. Разбира се, поддържането на висока плазмена плътност в крайните огледални клетки изисква a енергичен. разходи, но тези разходи не зависят от дължината на центъра. корктрон. И тъй като силата на освобождаване на термоядрена енергия в него е пропорционална. дължината му, след това като направите центъра. Корковият трон е достатъчно дълъг, възможно е да се осигури положителен. енергичен. баланс на системата като цяло.
Ориз. Фиг. 2. Схема на амбиполярния капан TMX: 1 - аксиално асиметрична намотка на крайната огледална клетка, осигуряваща минимум на магнитното поле Н по оста; 2 - намотки на централния соленоид; 3 - преходни намотки; 4 - плазма; 5 - инжектори на неутрални атоми. Характерната форма на "ветрило" на плазмата близо до краищата на инсталацията се дължи на свойствата на магнитното поле на инсталацията. Плазмената секция в централния соленоид е кръгла.
В експерименти върху редица амбиполярни капани в кон. 70-те – ран 80-те години беше показано, че амбиполярното задържане на йони от центъра. корктронът наистина съществува. Когато създавате желаното разпределение на плътността, животът на йоните е в центъра. сондиране увеличено в
10 пъти в сравнение с оценката (2). Център за параметри на плазмата. в същото време огледалната клетка беше доста умерена (в инсталацията TMH, чиято схема е показана на фиг. 2, Ti
10 13 cm 3 ). Трудностите при увеличаване на плазмените параметри в амбиполярни капани са свързани с Ch. обр. с възможност за засилено разсейване на йони на крайните огледални клетки върху надтермични флуктуации. Неосесиметричен магнит. полета, използвани за стабилизиране на нестабилността на флейта, могатбъде източник на подобрен напречен плазмен трансфер, напомнящ на неокласическия. транспортиране в затворени капани. Следователно е необходимо да се намерят топологично прости осесиметрични магнити. конфигурации, в които плазмата би била стабилна по отношение на смущенията на каналите. Т. н. антипробкотрон, възникващ от "контра" включването на два коаксиални магнита. намотки (фиг. 1, c), е една от конфигурациите с това свойство. Магн. полета в този капан има абс. минимум в центъра на системата, но този минимум е нула. Съответно, адиабатното поведение се нарушава близо до центъра на антипробкотрона. инвариантност и плазмата от този регион бързо се губи по линиите на полето. За да се премахнат тези загуби, е възможно да се използва специална система в аксиалните A и пръстенни B слотове на антипробкотрона. електроди за предотвратяване на загубата на електрони. След това задържането на йони ще бъде осигурено от собствените им. амбиполярен плазмен потенциал. техн. ограниченията затрудняват екстраполирането на тази схема към плазмените параметри на реактора. Възможно е антипробкотроните да намерят приложение като стабилизиращ елемент в амбиполярни капани. Съвсем различни възможности за увеличаване на времето на задържане са свързани с прехода към O. l. с дължина L над средния свободен път на йони. Пример за системи от този тип е многоогледалният капан (MPT), предложен в началото. 70-те години Инсталацията има формата на верига от огледални клетки, свързани помежду си (фиг. 1, d), като дължината на всяка е по-малка. В такива O. l. животът на плазмата се увеличава с фактор оценка (2). Д-р. инсталация, принадлежаща към този клас - т.нар. газодинамичен капан (GDT), който е огледална клетка с голямо отношение на огледалото (R = 50 - 100) и с дължина L>/R. Животът на плазмата в GDT е LR/пъти по-голям от оценката (2). Характеристика на GDL е, че набразденатанестабилността в него може да бъде потисната дори в проста осесиметрична магнитна конфигурация. полета. Достойнство О. л. с L> IR (MPL, GDL) е, че надлъжните загуби на плазма при тях не зависят от микрофлуктуации, недостатъкът е, че дължината на такива инсталации (във реакторната версия) е относително голяма.
Лит .: Чуянов В. А., Адиабатни магнитни капани, в книгата: Итоги науки и техники. сер. Физика на плазмата, т. 1, част 1, Москва, 1980 г.; Чириков Б.В., Динамика на частиците в магнитни капани, в: Въпроси на теорията на плазмата, в. 13, М., 1984; Рютов Д. Д., Ступаков Г. В., Процеси на пренос в аксиално асиметрични отворени капани, пак там; В. П. Пастухов, Класически надлъжни загуби на плазма в отворени адиабатни капани, пак там; Рютов Д. Д., Открити капани, "UFN", 1988, т. 154, с. 565.