Сферические токамаки

Сферические токамаки представляют собой особый вариант магнитных ловушек для термоядерного синтеза, отличающийся малым отношением радиусов тора A = R/a, где R — большой радиус тора, а a — малый радиус плазменного кольца. В традиционных токамаках A ∼ 3 − 4, тогда как в сферических токамаках A ∼ 1.2 − 1.5. Такое уменьшение аспекта тороидальной конфигурации существенно изменяет характеристики плазмы и её устойчивость.

Ключевой эффект малой аспекты тороида:

  • Улучшение устойчивости к магнитогидродинамическим (МГД) возмущениям, в частности к низкочастотным kink- и ballooning-модам.
  • Увеличение плотности тока, возможного без возникновения разрушительных срывов тока, благодаря более компактной геометрии.
  • Повышение эффективности нагрева плазмы током (ohmic heating) и передача энергии альфа-частиц.

Магнитная конфигурация и профили тока

Сферический токамак формирует тороидальное магнитное поле с сильной кривизной. Основные компоненты поля:

  1. Тороидальное поле BT — создается внешними катушками. В сферическом токамаке оно более интенсивное ближе к центру тора и имеет более крутой градиент по радиусу.
  2. Полоидальное поле BP — индуцируется током плазмы. Уменьшение аспекта тора усиливает взаимодействие тороидального и полоидального полей, повышая параметр безопасности q = (rBT)/(RBP) и уменьшая вероятность MHD-нестабильностей.
  3. Комбинированное поле создает плотную магнитную поверхность, оптимизированную для удержания горячей плазмы и минимизации потерь энергии.

Профили тока обычно имеют широкое распределение, с максимумом в центре и постепенным спадом к периферии, что стабилизирует низкочастотные моды и повышает порог возникновения срывов тока.

Плазменные параметры и плотность

Сферические токамаки демонстрируют высокую плотность плазмы ne при относительно низких токах. Основные характеристики:

  • Плотность плазмы: может превышать плотность, достижимую в обычных токамаках при той же величине тока.
  • Температура электронов и ионов: благодаря уменьшенной аспекте тора, эффективный нагрев током и высокочастотными волнами позволяет достичь температур Te, Ti ∼ 10 − 20 кэВ.
  • Параметр β: отношение давления плазмы к магнитному давлению β = 2μ0p/B2. В сферических токамаках β может достигать 40–50%, что значительно выше, чем в классических токамаках, что делает их перспективными для компактных реакторов.

Нагрев и поддержание тока

Нагрев плазмы в сферических токамаках осуществляется комплексно:

  1. Ток плазмы (Ohmic heating) — основной метод на начальной стадии разгона. Компактная геометрия улучшает эффективность.
  2. Инжекция нейтральных частиц (NBI) — обеспечивает дополнительный ток и нагрев ионов.
  3. Высокочастотные волны (RF-heating) — используются для ускорения электронов и ионов, создания неравновесных распределений и стабилизации профиля тока.

Поддержание тока в долгоживущей плазме часто комбинирует индуцированный ток и внешнюю индукцию, включая ток от высокочастотного нагрева и инжекции частиц, что снижает зависимость от трансформатора и приближает к режиму steady-state.

Устойчивость и ограничения

Сферические токамаки имеют как преимущества, так и ограничения по устойчивости:

  • Преимущества:

    • Более высокая плотность плазмы при меньших токах.
    • Устойчивость к низкочастотным MHD-модам.
    • Улучшенная топологическая стабильность полоидальных линий.

  • Ограничения:

    • Ограниченное пространство для размещения катушек тороидального поля; требует высокопрочных сверхпроводящих материалов.
    • Сложности в интеграции систем нагрева и диагностики из-за компактного внутреннего объема.
    • Требования к устойчивости сердцевины к высокому магнитному давлению.

Диагностика и управление плазмой

Для контроля и диагностики сферических токамаков применяются:

  • Магнитные датчики для измерения профилей поля и параметра безопасности q.
  • Интерферометрия и Thomson scattering для измерения плотности и температуры плазмы.
  • Радиационные детекторы для оценки потерь энергии и эффективности термоядерных реакций.

Системы активного управления используют обратную связь, изменяя ток катушек и параметры нагрева, чтобы предотвратить появление MHD-нестабильностей и поддерживать оптимальный профиль тока.

Перспективы применения

Сферические токамаки рассматриваются как компактная альтернатива классическим тороидальным конфигурациям:

  • Потенциально более высокая эффективность нагрева и удержания плазмы.
  • Возможность уменьшения размера реактора при сохранении высоких показателей β и плотности.
  • Перспектива для промышленных термоядерных установок, где важны компактность, устойчивость и экономичность.

Особенно перспективны проекты типа MAST Upgrade и NSTX-U, демонстрирующие жизнеспособность концепции в экспериментальном масштабе и обеспечивающие данные для разработки будущих реакторов.

Оглавление