Физическая энциклопедия

УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ

- осуществление условий, при к-рых высокотемпературная плазма сохраняет в заданном объёме свои плотность (концентрацию ядер)nи темп-руTв течение достаточно длит. времени. В исследованиях поуправляемому термоядерному синтезу(УТС), где и возник термин "У. п.", необходимая длительность т сохранения ср. кинетич. энергии ядра (энергетич. время жизни) оценивается из условия, что темп убыли этой энергии за единицу времени, , не превышает темпа выделения энергии в актах синтеза в расчёте на одно ядро:


Здесь -энергия (~ МэВ), выделяемая при синтезе двух ядер; -ср. время между актами слияния ядер; -сечение слияния ядер с относит. скоростью u; угл. скобки означают усреднение по максвелловскому распределению скоростей. Темп-pa выражена в энергетич. шкале. Её характерный масштабТ~10 кэВ (темп-pa 1 кэВ соответствует 11.106К). В "рабочем" диапазоне темп-р дейтерий-тритиевой плазмы от 10 до 20 кэВ скорость термоядерной реакции растёт приблизительно квадратично с темп-рой .В этом случае неравенство (1), определяющее ниж. границу энергетич. времени жизни, может быть записано в виде


или


гдеp = 2п T-давление плазмы (1 ат= 105Па = 0,62 · 1021кэВ/м3). (Коэф. 2 возник в результате учёта давления электронов, равного в дейтерий-тритиевой плазме давлению ядерной компоненты.) К условию (3) следует добавить условие "управляемости" термоядерной реакцией. Оно состоит в ограничении на энергосодержание плазмы 3NT,а следовательно, на общее число частицN=nV (V-объём плазмы). Если исходить из ограничения ГДж, к-рое при разумной оценке с соответствует мощноститермоядерного реакторана уровне мощности крупной электростанции (~ГВт), то приТ~10 кэВ общее число ядер дейтерия и трития не должно превышатьNмакс~1024.

Из неравенства (3) можно сделать вывод, что термоядерные реакции в плазме возможны в двух противоположных случаях.

1) Если плазма не подвержена действию внеш. сил, то она свободно разлетается во все стоpоны со скоростью порядка тепловой скорости ядер со ср. массойM.Для D-T плазмы с равными концентрациями дейтерия и трития


Давление плазмы заметно падает лишь за время разлёта , гдеR -характерный нач. размер нагретой плазмы. В течение промежутка времени параметры плазмы можно считать неизменными, и если плотность плазмы и соответственно её давление очень высоки (плотностьnна два порядка выше твердотельной, соответственно давлениеp~1010-1011ат!), то необходимое условие осуществления термоядерной реакции (3) может быть выполнено. Поскольку сохранение нач. высокой плотности энергии происходит за счёт инерции плазмы , то такой подход к осуществлению управляемой термоядерной реакции назвалиинерциальным удержаниемплазмы. При инерциальном удержании нач. термоядерная плазма создаётся с помощью лазерного излучения (см.Лазерный термоядерный синтез)или пучков ускоренных частиц. Инерциальное удержание осуществляется и при взрыве термоядерной бомбы. Квазинепрерывное выделение термоядерной энергии в УТС на основе инерциального удержания должно происходить в виде микровзрывов с периодом при общем числе частиц в каждом микровзрывеNмaкс.Как было отмечено выше, приN~Nмакс~ 1024энергосодержание термоядерной плазмы ~5 ГДж. Cp. мощность здесь определяется периодом повторения микровзрывов и при с будет такой же, как и при с в условии квазистационарного удержания.

2) При стационарном (или квазистационарном) удержании, когда время жизни плазмы превышает время свободного разлёта, её давление передаётся, в конечном счёте, на конструкц. материалы и ограничено их прочностью (~сотен атмосфер). Согласно условию (3), энергетич. время жизни должно быть достаточно большим: мс приp= 1000 ат; с прир=1ат. Такие длительности удержания требуют отдаления высокотемпературной области плазмы от стенок камеры или, точнее, многократного спада давления от максимального в центре до минимального на краях. Спадающее распределение давления можно осуществить при магн. У. п.

Магнитное У.п.- наиб. обширная область исследований в проблеме УТС. Она традиционно делится на три составные части: равновесие; устойчивость; процессы переноса энергии и частиц.

Р а в н о в е с и е. При помещении плазмы во внеш. магн. поле его взаимодействие с электрич. токами, неизбежно возникающими в плазме, находящейся в магн. поле, или специально возбуждаемыми в ней, может уравновесить градиент давления плазмы во всём её объёме (см.Равновесие плазмы, Магнитные ловушки).Цилиндрич. плазменный шнур, опирающийся торцами на электроды, может быть уравновешен в радиальном направлении собств. магн. полемВпропускаемого по нему электрич. токаJ (пинч-эффект).Уравновешивание плазмы по всем направлениям собств. магн. полем невозможно. Это следует из интегральной теоремы вириала:


Здесь -давление в поперечном, а -в продольном направлении к магн. полюВ; dV-элемент объёма интегрирования, ограниченного поверхностью, проходящей вне плазмы, где её давление равно нулю;dS-векторный элемент этой поверхности; (в единицах СИ). При распространении области интегрирования до бесконечности правая часть (4) обращается в нуль, если нет внеш. магн. поля, и необходимое условие равновесия не выполняется.

Равновесие тороидального плазменного шнура круглого сечения с малымаи большимRрадиусами при наличии тороидального поляВтвнутри иВвн.вне плазмы (системы "токамак" и "пинч с обращённым магн. полем") описывается условиями равновесия по малому и большому радиусам тора:



Здесь угл. скобки означают усреднение по объёму плазмы; - внутр. индуктивность единицы длины плазменного шнура с распределённым тороидальным током; -создаваемое внеш. проводниками поперечное плоскости тора магн. поле, удерживающее тороидальный плазменный шнур от растяжения. Его направление таково, что с внеш. стороны тора оно усиливает, а с внутренней ослабляет собств. поле тороидального токаJ.

Равновесие по большому радиусу тора встеллараторахобязано взаимодействию вторичной тороидальной компоненты плотности тока с эфф. азимутальным магн. полем стелларатора.

У с т о й ч и в о с т ь. Удовлетворение теоретич. условиям равновесия ещё не достаточно для У. п. Плазма - чрезвычайно подвижная среда. Случайно возникшие в ней возмущения могут нарастать и разбрасывать плазму. Поэтому удерживающее магн. поле должно быть таким, чтобы плазма, по крайней мере, сохраняла бы свои положение и форму, т. е. была бы устойчивой по отношению к крупномасштабным, магнитогидродинамич. возмущениям (см.Стабилизация неустойчивостей плазмы).

П р о ц е с с ы п е р е н о с а э н е р г и и и ч а с т и ц.

Сложная геометрия магн. поля, необходимая для макроскопически устойчивого равновесия плазмы, приводит в общем случае к усиленным, зависящим от геометрии поля "неоклассическим переносам" энергии и частиц плазмы, т. е. к ухудшению её удержания (см.Переноса процессы).Поэтому конфигурация удерживающего магн. поля должна выбираться такой, чтобы траектории дрейфового движения частиц в магн. поле не слишком сильно отклонялись от магн. поверхностей. Ещё большую опасность для У. п. представляет возможность развития мелкомасштабнойтурбулентности плазмы,зависящей от распределения плотности и, темп-рыT,плотности продольного тока , а также от ф-ции распределения частиц по скоростям, приводящей к аномальным переносам, т. е. к сильному ухудшению удержания. Проблема переноса оказалась главной в УTC на основе магн. удержания.

Кроме магн. удержания в разное время выдвигались др. идеи У. п.- электростатического, удержание газовым облаком, комбинациями этих методов с магн. удержанием. Эти методы не получили широкого развития.

Лит.:Шафранов В. Д., Равновесие плазмы в магнитном поле, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 2, под ред. M. А. Леон-товича, M., 1963; Захаров Л. E., Шафранов В. Д., Равновесие плазмы с током в тороидальных системах, там же, в. 11, под ред. M. А. Леонтовича и Б. Б. Кадомцева, M., 1982; Пустови-тов В. Д., Шафранов В. Д., Равновесие и устойчивость плазмы в стеллараторах, там же, в. 15, под ред. Б. Б. Кадомцева, M., 1987.

В. Д. Шафранов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.


  1. удержание плазмы—confinement du plasma...Политехнический русско-французский словарь
  2. удержание плазмы—The confinement of a plasma by strongthe magnetic field. This provides perfect containment Magnetic fields provide possible means for containing stronggas plasmas...Русско-английский научно-технический словарь
  3. удержание плазмы—plasma confinement...Русско-английский словарь по физике
  4. удержание плазмы—plasma containment...Русско-английский словарь по электронике
  5. удержание плазмы—Plasmaeinschlieung...Русско-немецкий политехнический словарь