УДК 620.9
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В СТЕЛЛАРАТОРЕ
Студент Колесова А.Д.
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического
приборостроения, Санкт-Петербург
Аннотация. Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы, имеющий отличие от токамака в
том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью создается
внешними катушками, что позволяет использовать его в непрерывном режиме. Магнитная ловушка в стеллораторе образуется с помощью тороидального и полоидального полей. Улучшение времени жизни плазмы за
счет оптимизации плазмен-ных параметров и магнитной конфигурации
является основной экспе-риментальной задачей стеллараторной программы.
Ключевые слова: Стелларатор. Токамак. Термоядерный синтез. Магнитное поле. Магнитная ловушка. Термоядерный реактор
ВВЕДЕНИЕ
Термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются друг с другом образуя более тяжелые атомы, сопровождаясь выделением большого количества энергии. Управляемый термоядерный синтез - контролируемое протекание термоядерных реакций,
при котором должен происходить отбор и дальнейшее использование
выделяющейся энергии.[1]
Альтернативой магнитного удержания служит принцип инерциального удержания, основанный на возможности протекания термоядерной реакции за время естественного разлёта высокотемпературной
плазмы.[2]
Дейтерий (2H) и тритий (3H) — это изотопы водорода, именно их
комбинация зарекомендовала себя на роль источника энергии будущего
[]. При каждом слиянии дейтерия и трития образуется нейтрон и ядро
гелия, а также 17,6 МэВ энергии.
Цель сообщения: Изучить принцип работы стелларатора и способ
удержания плазмы.
Задачи: Рассмотреть отличие между токамаком и стелларатором,
описать принцип удержания плазмы магнитным полем
Актуальность Термоядерный синтез – это будущее энергетики.
Например, 86 грамм дейтерий тритиевой смеси производит такое же количество энергии, как при сжигании 1000 тонн угля.
Обзор текущего состояния темы: Идея стелларатора на данный момент развивается, к сожалению, не так быстро, как идея токамака. Обусловлено это сложностью конструкции стелларатора, хоть и теоретиески стелларатор гораздо более производителен.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОКАМАКЕ
Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения
условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного
синтеза.[3] Плазма в токамаке удерживается специально создаваемым
комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним полем
и полем, протекаюго по плазменному шнуру, полоидальным. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для
удержания плазмы, использование электрического тока является главной особенностью токамака. Ток в плазме обеспечивает разогрев
плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Схема токамака показа на рис.1
Рис 1. Схема токамака, где 1-катушка колодоидального поля, 2-обмотка
тороидального поля, 3-полоидальное поле, 4-тороидальное поле, 5- суммарное поле, 6- катушка полоидального поля, 7-ток в плазме, 8-первичная
обмотка.
СТЕЛЛАРАТОР
Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие от токамака заключается в том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью
создается внешними катушками, что позволяет использовать его в непрерывном режиме.[3]
Так как из вакуумного сосуда тороидальной формы откачивается
весь воздух до высокого вакуума, а затем заполняется смесью дейтерия
и трития. Создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится
в плазму при помощи электромагнитного излучения —электронного
циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных
для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и
трития начинаются термоядерные реакции.
Относительная сложность магнитной конфигурации, по сравнению
с токамаком, несколько затормозили развитие этой системы на начальном этапе развития. В первых стеллараторах удержание плазмы было
существенно хуже удержания плазмы в токамаке и потребовались многие годы исследований для того, чтобы выяснить причину потерь энергии из стелларатора. Оказалось, что, из-за тороидальной несимметрии,
траектории частиц в первых стеллараторах имели большие отклонения
от магнитных поверхностей. Соответственно, были бóльшими и потери
энергии из плазмы. Кроме того, стало известно, что магнитные поверхности в стеллараторе чувствительны к внешним возмущениям магнитного поля, создаваемым не совсем точной установкой внешних винтовых обмоток, что было характерно для первых стеллараторов. В результате, часть магнитных поверхностей была разрушена возмущениями,
что также уменьшало время удержания плазмы.
Существенный прогресс в развитии концепции стеллараторов был
достигнут после появления мощных численных кодов, которые были
использованы для оптимизации магнитной системы стелларатора.
Рис.2 Основные элементы конструкции стелларатора, где 1полоидальные витки, 2- камера, 3-плазма, 4- винтовые обмотки
Современные ученые показали [4], что можно отказаться от вложенных друг в друга винтовых витков, окружающих плазму (см. Рис.2),
а вместо них использовать модульные трехмерные тороидальные катушки. Такие катушки, которые показаны на Рис.3, создают не только
тороидальное поле, но и требуемое полоидальное поле, создающее замкнутые магнитные поверхности.
Рис. 3 Модульные магнитные катушки стелларатора
Концепция модульных катушек существенно упростила сборку и
разборку магнитной системы стелларатора.
Нынешнее поколение стеллараторов существенно улучшило свою
способность удерживать горячую плазму. Соответственно, выросли и
параметры плазмы в этих ловушках. То преимущество, которое было у
токамаков в самом начале развития - омический нагрев плазмы протекающим по ней током - уже не так важно. Сейчас и токамак и стелларатор используют одни и те же дополнительные методы нагрева плазмы с
полной мощностью, существенно превышающей мощность омического
нагрева в токамаке.
Стеллараторная программа проводится довольно активно, и стеллараторы сейчас существуют во многих странах, включая Японию, Германию и Россию.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В СТЕЛЛАРАТОРЕ
В качестве термоядерного реактора для управляемого термоядерного синтеза наиболее интересны системы, работающие в стационарном или квазистационарном режиме.
Магнитная ловушка –это конфигурация магнитного поля, способная удерживать заряженные частицы или плазму.[5] Например, существует естественная магнитная ловушка – магнитное поле Земли, где
плазма солнечного ветра, захваченная земным магнитным полем, образует радиационные пояса Земли. Наиболее важное применение магнитной ловушки в практических целях- это возможность осуществления
термоядерного синтеза и создание термоядерного реактора.
Магнитное поле может удерживать заряженные частицы, движущиеся как в продольном направлении к вектору магнитного поля, так и
в поперечном. Благодаря этим свойствам можно создать магнитную ловушку. В магнитном поле траектория заряженной частицы имеет вид
спирали, вытянутой вдоль силовых линий поля.
Магнитные ловушки бывают двух типов: открытые и закрытые.
Открытые магнитные ловушки из-за повышенных потерь частиц в качестве термоядерных реакторов не рассматриваются, однако сохраняются перспективы их использования в качестве термоядерных источников нейтронов и плазменных космических двигателей.[5]
В токамаке и стеллараторе магнитная ловушка будет являться замкнутой. Магнитная ловушка образуется благодаря тороидальному и
полоидальному полю. Чтобы воспрепятствовать уходу плазмы, магнитное поле усложняют. В тороидальном плазменном шнуре возбуждают
продольный электрический ток, создающий полоидальное магнитное
поле. А полем с вращательным преобразованием называют такое поле,
где силовые линии поля тороидального соленоида и полоидального
поля тока в плазме имеют вид спиралей, проворачивающихся вокруг
оси плазменного шнура, в результате которого эти линии многократно
обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в
друга тороидальных магнитных поверхностей. В этом поле заряженные
частицы движутся по довольно сложным траекториям, не выходя, однако, за пределы ограниченной области, поэтому электрической поляризации плазмы не происходит.
Вращательное преобразование магнитных силовых линий можно
осуществить и без возбуждения тока в плазме, как это происходит в токамаке. Возможны два таких способа: использование соленоида, ось которого не является плоской кривой (стелларатор с пространственной
осью), и наложение на тороидальный соленоид винтовых проводников
с током (обычный стелларатор и его модификации – торсатрон, гелиотрон и др.;). Системы, где тороидальное и винтовое поля создаются винтовыми обмотками с однонаправленными токами, называется торсатронами. Главное преимущество стеллараторов над токамаками – это возможность стационарной работы без затраты энергии на генерацию тока
в плазме, а недостаток стеллараторов в их громоздкости конструкции.
ВЫВОД
За стеллараторной технологией будущее современной энергетики,
так как в стеллараторе равновесие плазмы создается внешними магнитными обмотками, а не током, протекающим по плазме, из-за чегот отсутствуют срывы плазмы. Превышения параметрами плазмы своих предельных значений, как правило, ведет в стеллараторе к насыщению этих
параметров или медленному распаду плазмы. Это, несомненно, большое преимущество стелларатора, по отношению к токамаку, в котором
срывы плазменного тока создают большие механические и тепловые
нагрузки на первой стенке и в диверторе и, как следствие, усложняют
их конструкцию.
Улучшение времени жизни плазмы за счет оптимизации плазменных параметров и магнитной конфигурации является основной экспериментальной задачей стеллараторной программы.
Библиографический список
1.
2.
Ильгисонис В.И., Классические задачи физики горячей плазмы : курс
лекций / В.И. Ильгисонис. - Вып. 8. - М. : Издательский дом МЭИ,
2015. - 326 с. (Серия "Высшая школа физики") - ISBN 978-5-38300926-0
Управляемый термоядерный синтез – Большая российская энциклопедия – электронный ресурс - http://dev.bigenc.ru/physics/text/4700247
3.
4.
5.
Токамак и Стелларатор - электронный ресурс https://quantumtech.ru/termoyadernyisintez/tokamak.html
Сайт энергетика — Стелларатор - электронный ресурс
http://energ2010.ru/Stati/Elektrostanciya/AES/Klassifikaciya_Aes/Termo
yaderny_reaktor/Stellarator.html
Магнитные ловушки – Большая российская энциклопедия – электронный ресурс http://dev.bigenc.ru/physics/text/2153266