Уважаемые клиенты!

Расскажем сегодня о магнитном удержании плазмы.

ПЛАЗМА – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность.

Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.

Магнитное удержание плазмы 

Как известно, в магнитном поле заряженные частицы движутся по спиралям, "навиваясь" своими траекториями на силовые линии магнитного поля. Поэтому однородное поле сильно уменьшает диффузию и теплопроводность плазмы в направлении поперек силовых линий. Однородное поле, однако, никак не влияет на движение заряженных частиц вдоль силовых линий.

Естественный путь устранения потерь плазмы вдоль силовых линий — сворачивание плазменного шнура в тор. Но при этом магнитное поле становится неоднородным и характер движения заряженных частиц в нем усложняется возникает дрейф (медленное смещение) частиц поперек силовых линий поля. Для устранения дрейфа, а также обеспечения равновесия и устойчивости плазменного кольца используют различные комбинации внешних полей и полей, возникающих при протекании токов в самой плазме. В зависимости от структуры этих полей возможны различные виды тороидальных (или замкнутых) ловушек для плазмы: токамаки, стеллараторы и т.д.

Однако, несмотря на это, «ловушки» не являются единственной исследуемой системой магнитного удержания плазмы. Дело в том, что если рассматривать их не как устройство для удержания горячей плазмы, а как часть термоядерного реактора, то, с чисто инженерной точки зрения, он имеет весьма серьезные недостатки. Импульсный характер работы токамака порождает проблемы, связанные с "усталостью" материалов из-за циклических термических напряжений, возникающих в элементах конструкции. Кроме того, его тороидальная геометрия сама по себе обусловливает неоднородность тепловых и нейтронных нагрузок на эти элементы. Поскольку силовые линии магнитного поля в тороидальной ловушке представляют собой окружности, можно ожидать центробежный дрейф частиц к стенкам ловушки. Кроме того, в силу принятой геометрии установки, витки с током располагаются на внутренней окружности тора ближе друг к другу, чем на внешней, поэтому индукция магнитного поля увеличивается по направлению от внешней стенки тора к внутренней, что очевидным образом приводит к градиентному дрейфу частиц к стенкам ловушки. Оба вида дрейфа частиц вызывают движение зарядов противоположного знака в разные стороны, в результате вверху образуется избыток отрицательных зарядов, а внизу – положительных.

С тороидальной геометрией связаны головоломные проблемы, которые придется решать при дистанционной разборке и других ремонтных работах на радиоактивной установке, активированной нейтронами.

Наконец, для экономики реакторных систем очень важно, чтобы удержание плазмы осуществлялось как можно более слабым магнитным полем. Коэффициент использования магнитного поля в каждой данной системе удержания можно характеризовать величиной, равной отношению давления плазмы к давлению внешнего магнитного поля, определяемому как В2/8я, где В — магнитная индукция. Другой способ, также позволяющий компенсировать дрейф плазмы в тороидальной ловушке, состоит в возбуждении вдоль тора электрического тока прямо по плазме. Систему с кольцевым током назвали токамак (от слов «токовая камера», «магнитные катушки»).

Существуют и другие идеи магнитного удержания плазмы. Одна из них заключается, например, в создании ловушек с магнитными «пробками» или так называемых «пробкотронов». В таких устройствах силовые линии продольного магнитного поля, сгущаются по направлению к торцам цилиндрической камеры, в которой находится плазма, напоминая своей формой горлышко бутылки . Уходу заряженных частиц на стенки поперек продольного магнитного поля препятствует их закручивание вокруг силовых линий. Нарастание магнитного поля к торцам обеспечивает выталкивание циклотронных кружков в область более слабого поля, что и создает эффект магнитных «пробок». Магнитные «пробки» называют иногда магнитными зеркалами, от них, как от зеркала, отражаются заряженные частицы.

Диффузия плазмы поперек магнитного поля. Предыдущий анализ поведения заряженных частиц в магнитном поле основывался на предположении об отсутствии столкновений частиц между собой. В действительности же частицы, конечно, взаимодействуют между собой, их столкновения приводят к тому, что они перескакивают с одной линии индукции на другую, т.е. перемещаются поперек силовых линии магнитного поля. Такое явление называют поперечной диффузией плазмы в магнитном поле. Анализ показывает, что скорость поперечной диффузии частиц уменьшается с увеличением магнитного поля (обратно пропорционально квадрату величины магнитной индукции B), а также с возрастанием температуры плазмы. Однако, на самом деле процесс диффузии в плазме оказывается более сложным.

Основную роль в поперечной диффузии плазмы играют столкновения электронов с ионами, при этом ионы, которые движутся вокруг силовых линий по окружностям большего радиуса, чем электроны, в результате столкновений «легче» переходят на другие силовые линии, т.е диффундируют поперек силовых линий быстрее, чем электроны. Из-за различной скорости диффузии частиц противоположного знака происходит разделение зарядов, которому препятствуют возникающие сильные электрические поля. Эти поля практически устраняют возникшую разницу в скоростях движения электронов и ионов, в результате чего наблюдается совместная диффузия разноименно заряженных частиц, которая называется амбиполярной диффузией. Такая диффузия поперек магнитного поля является также одной из важных причин ухода частиц на стенки в устройствах магнитного удержания плазмы.

Заметим, что если первый из указанных недостатков может быть, по-видимому, в будущем устранен, то два других представляют собой, так сказать, врожденные. Поэтому никогда не прекращался поиск систем магнитного удержания, свободных от этих недостатков, т.е. обеспечивающих непрерывную работу, имеющих линейную геометрию и устойчиво удерживающих плотную плазму в относительно слабых магнитных полях . В настоящее время основным соперником токамаков среди систем с магнитным удержанием вновь становятся открытые магнитные ловушки, изучение которых началось еще на заре термоядерных исследований.

Выдержки и фото материалы взяты с сети интернет: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/PLAZMA.html

Следите за новостями!