Свойства лабораторной плазмы и физика управляемого термоядерного синтеза
Лабораторная плазма — это частично или полностью ионизованный газ, находящийся в условиях, искусственно создаваемых для целей изучения фундаментальных свойств вещества, взаимодействий или практического применения, включая термоядерный синтез. В лаборатории могут быть реализованы различные режимы плазмы: от холодной слабоионизованной (температура электронов — единицы электрон-вольт) до горячей полностью ионизованной (десятки и сотни кэВ).
Ключевые параметры лабораторной плазмы:
Создание устойчивой горячей плазмы требует эффективных методов нагрева и удержания. В зависимости от цели эксперимента и условий, используются различные установки:
В них используется разряд в газе для ионизации. Плазма в таких системах, как правило, холодная, с температурой электронов в пределах нескольких эВ, и слабо ионизована. Эти установки важны для диагностики, исследования волновых процессов, взаимодействия плазмы с поверхностями.
В системах типа инерциального термоядерного синтеза (ИТС) мощные лазеры (мегаджоули энергии) фокусируются на мишени из дейтерий-тритиевой смеси, вызывая её быстрый нагрев и сжатие. В условиях сжатия достигаются плотности до 1000ρ₀ (где ρ₀ — плотность твёрдого тела) и температуры порядка нескольких сотен кэВ.
Наиболее развитая технология магнитного удержания основана на использовании конфигураций магнитных полей для удержания заряженных частиц. Классическими примерами являются:
Управляемый термоядерный синтез (УТС) представляет собой процесс получения энергии за счёт слияния лёгких ядер (обычно дейтерия и трития) при высоких температурах. В отличие от естественных процессов в звёздах, в лабораторных условиях необходимо обеспечить эффективное удержание плазмы и достижение условий Лоусона.
Для осуществления УТС необходимо выполнение неравенства:
nTτE ≥ const,
где:
Для реакции D-T (дейтерий + тритий) при температуре ~10–20 кэВ, величина nτE должна быть порядка 1020 м−3 ⋅ с.
Наиболее вероятной реакцией для лабораторного синтеза является:
D + T → α (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ)
Эта реакция обладает наибольшим сечением в диапазоне температур 10–100 кэВ. Реакции D-D и D-³He требуют значительно более высоких температур или плотностей.
Особенности:
Нагрев плазмы до термоядерных температур осуществляется сочетанием нескольких механизмов:
В начальной стадии ток, индуцированный в плазме (например, в токамаке), вызывает джоулево нагревание. Однако при температурах выше 10 кэВ сопротивление плазмы резко падает, и этот метод становится неэффективным.
Поглощение энергии электромагнитных волн на резонансных частотах (ионный циклотронный, электронный циклотронный, верхний гибридный резонанс). РЧ-нагрев позволяет эффективно передавать энергию конкретным популяциям частиц.
Высокоэнергетические атомы внедряются в плазму, ионизируются и передают свою энергию основному объёму. Один из наиболее эффективных методов в современных установках.
Важнейшей проблемой УТС является обеспечение достаточно длительного удержания энергии и частиц.
Основной вклад в потери энергии вносят аномальные процессы транспорта — турбулентность, индуцированная градиентами давления и токами. Расчёты показывают, что экспериментальный коэффициент диффузии намного превышает классический.
Основной метод — замыкание траекторий заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Искривление и неоднородность поля могут вызывать дрейфы, ведущие к потере частиц.
В токамаках удержание улучшается за счёт тороидальности и введения сдвига магнитных поверхностей. В стеллараторах удержание обеспечивается сложной геометрией катушек.
С увеличением температуры и плотности возрастает склонность плазмы к различным видам нестабильностей:
Для подавления нестабильностей используются магнитные сдвиги, стабилизирующие контуры, модулированный нагрев, токовые профили и специальные формы плазменного столба.
Крупнейшие эксперименты в области магнитного удержания — ITER (Франция) и перспективный DEMO — ориентированы на достижение чистого выхода энергии, превышающего затраты на нагрев и удержание. В ITER планируется получить энерговыход с коэффициентом Q ≥ 10 при мощности синтеза ~500 МВт.
Альтернативные подходы — лазерный ИТС (проекты NIF, Laser Mégajoule), а также новые концепции (магнитно-инерциальное удержание, сферические токамаки, компактные стеллараторы) — активно исследуются.
Для практического выхода на энергетические установки требуются решения по материалам первой стенки, отводу тепла, воспроизводству трития, радиационной стойкости и автономности топливного цикла.
Лабораторная плазма в установках УТС — это сложная самосогласованная система, где важны все аспекты: от микроскопических столкновений до глобальной устойчивости и материаловедения. Разработка работоспособного термоядерного реактора — многоуровневая научно-техническая задача, находящаяся в авангарде современной физики.