Омический нагрев является одним из базовых методов нагрева плазмы в установках термоядерного синтеза, таких как токамаки и стеллараторы. Он основан на законе Джоуля–Ленца: когда через проводящий плазменный столб проходит электрический ток, энергия тока преобразуется в теплоту, нагревая плазму.
Плазма в магнитной ловушке обладает конечной электрической проводимостью. При приложении внешнего напряжения вдоль токового направления ток вызывает выделение тепловой энергии на единицу объема:
Pом = ηJ2,
где Pом — плотность мощности омического нагрева, η — удельное сопротивление плазмы, J — плотность тока.
Ключевой момент: удельное сопротивление плазмы зависит от температуры и концентрации электронов. В соответствии с законом Спитцера:
η ∼ Te−3/2,
где Te — температура электронов в плазме.
Это означает, что по мере нагрева плазмы сопротивление падает, и эффективность омического нагрева уменьшается.
На начальных стадиях разогрева, при температурах от нескольких эВ до сотен эВ, омический нагрев является эффективным способом передачи энергии плазме. При этих температурах сопротивление плазмы достаточно велико, и выделяемая мощность способна быстро повышать температуру электронов и ионов через электрон-ионное столкновение.
С ростом температуры выше 1–2 кэВ происходит резкое снижение сопротивления. Это ограничивает дальнейший рост температуры плазмы исключительно за счет омического нагрева. В токамаках современные расчеты показывают, что омический нагрев способен разогреть плазму максимум до ~5–10 кэВ, что ниже температуры, необходимой для эффективного термоядерного синтеза дейтерий-тритий (~10–20 кэВ).
Снижение сопротивления при высоких температурах Поскольку η ∼ Te−3/2, по мере роста температуры плотность мощности омического нагрева падает, делая метод неэффективным для выхода на реакционноспособные температуры.
Электрические ограничения устройства Для поддержания достаточной силы тока требуется значительное напряжение. Ограничения на ток в токамаке определяются прочностью проводов, изоляцией, магнитной конфигурацией и возможностью возникновения нестабильностей.
Неоднородности плазмы Распределение тока в тороидальной конфигурации неравномерно из-за геометрии магнитного поля и эффектов скин-слоя, что ведет к неравномерному нагреву и локальным перегревам.
Магнитные и гидродинамические нестабильности При высоких токах токовая плазма может испытывать моды MHD нестабильности, включая токовые срывы и kink-моды, которые ограничивают максимальную плотность тока и, следовательно, омический нагрев.
Хотя омический нагрев ограничен по температуре, его можно эффективно использовать на ранних стадиях разогрева плазмы перед применением более мощных методов нагрева:
В современных токамаках и стеллараторах омический нагрев выполняет несколько важных функций:
Несмотря на свои ограничения, омический нагрев остается неотъемлемой частью технологии термоядерного синтеза, особенно для создания стабильного начального состояния плазмы.