Цивилизация
Кандидат физико-математических наук Михаил Цвентух, работающий в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН), представил новый алгоритм расчёта устойчивости плазмы в магнитных ловушках, делающий возможной усовершенствованную конструкцию магнитной ловушки термоядерных реакторов токамаков с существенно более высокими параметрами удержания горячей плазмы. О его работе, опубликованной в Nuclear Fusion, рассказывает «Компьюлента».
Вопрос магнитного удержания плазмы с предельными параметрами актуален как для управляемых термоядерных реакций синтеза, так и для понимания фундаментальных свойств динамики плазмы в магнитном поле. Суть магнитной термоизоляции плазмы — в создании и поддержании по возможности наибольшего давления плазмы в центре магнитной ловушки и наименьшего — на её периферии. Однако плазма просачивается наружу, сглаживая этот градиент; при этом важно избежать быстрого выплёскивания плазмы из ловушки. Этого можно добиться, например, создавая магнитную конфигурацию типа «ямы» либо довольствуясь «плавным» спадом давления. У последнего случая есть простая физическая аналогия — гора с песком с предельным углом наклона.
Простейшей ловушкой с ямой является антипробкотрон (касп), образованный двумя соосными токовыми витками с противоположным током. Силовые линии в нём вогнуты к центру ловушки: это так называемая «благоприятная» кривизна. Пробкотрон — это два соосных витка с однонаправленными токами; такая ловушка имеет силовые линии, выпуклые наружу. Кривизна «неблагоприятна», но чем сильнее силовые линии выпуклы, тем резче может спадать давление плазмы без возникновения неустойчивости.
В работе Михаила Цвентуха, сотрудника Лаборатории импульсных процессов, предлагается совместить оба метода удержания. «Внутрь ловушки нужно «поставить» магнитную яму, а снаружи «насыпать песок» с предельным градиентом, то есть скомбинировать ловушки с выпуклыми и вогнутыми силовыми линиями, — рассказывает учёный. — Кажется, что профили давления внутри ямы и снаружи должны быть независимы, но, как выяснилось, в этом случае наружный градиент становится существенно круче. Дело в том, что влияние ямы проникает за её границы, и стабилизация происходит и во внешних областях. Это довольно неожиданный положительный эффект».
Такой подход к стабилизации плазмы можно применить в самых разнообразных магнитных ловушках, в том числе простейших. «Система гораздо проще токамака по техническому исполнению, — рассказывает исследователь. — Это открытые ловушки с осевой симметрией. Из них также можно сделать замкнутую систему. Можно добавлять небольшие стабилизаторы к существующим ловушкам и получать более высокие предельные параметры плазмы. Вообще говоря, простота геометрии, в частности осевая симметрия, позволяет получать плазму с лучшими параметрами. Например, рекордный уровень давления плазмы, а именно параметр бета (отношение давлений плазмы и магнитного поля) на уровне 70%, недавно был получен в осесимметричной ловушке. В токамаках «высокая» бета — это единицы процентов».
Сегодня актуальны различные термоядерные приложения, не только в виде «чистой» термоядерной энергетики, но и как термоядерный источник быстрых нейтронов для гибридного реактора «синтез — деление». Такой источник позволяет делить природный уран и торий; при этом ничего обогащать не нужно — а значит, и бомба невозможна. Кроме того, с его помощью можно безопасно «дожигать» радиоактивные отходы, которые сейчас требуют длительного хранения. Несомненно, повышение эффективности удержания плазмы облегчит практическую реализацию этих устройств.
