Основные этапы и перспективы исследований

Обзор экспериментальных исследований в области управляемого синтеза начнем с описания открытых магнитных ловушек. Впервые они как средство удержания высокотемпературной плазмы для осуществления термоядерного синтеза были предложены независимо Будкером в СССР и Постом в США в начале 50-х годов. Вскоре, на заре космической эры, были обнаружены природные, образованные магнитным полем Земли, магнитные ловушки с плазмой - радиационные пояса Земли.

Теоретический анализ, проведенный Розенблютом и Лонгмайером, показал, что в простых пробочных ловушках (рис. 1) удерживать плотную плазму с параметрами, обеспечивающими реализацию термоядерного синтеза не представляется возможными из-за неизбежного развития макроскопической желобковой неустойчивости, выбрасывающей плазму из ловушки поперек магнитного поля.

рис. 1.

Несмотря на неблагоприятные теоретические выводы, поисковые и фундаментальные исследования удержания плазмы в открытых магнитных системах, развивались широким фронтом. За прошедшие десятилетия результаты этих исследований составили значительный вклад в физику высокотемпературной плазмы, а предложенный в первых работах способ Удержания плазмы магнитными пробками в простых пробочных ловушках существенно усовершенствовался.

Перед обсуждением особенностей удержания плазмы в открытых ловушках и отдельных наиболее интересных экспериментов представим краткий обзор развития исследований, в котором, конечно, отражены только ключевые этапы пройденного пути.

Первый важный шаг был сделан в 1959 г . В опытах с радиоактивным тритием было показано, что быстрые электроны удерживаются в простой пробочной ловушке в течение времени, которое, будучи пересчитанным на время удержания ионов, с запасом обеспечивает протекание реакций синтеза в термоядерной плазме. Из этих опытов следовало, что поперечный адиабатический инвариант , определяющий качество продольного удержания заряженных частиц между магнитными пробками, сохраняется с очень высокой точностью.

В начале 60-х годов на установке ПР-2 в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова и в ряде работ на ловушках в других лабораториях было получено экспериментальное подтверждение развития предсказанной ранее макроскопической желобковой неустойчивости.

Проведенные эксперименты активизировали поиски макроскопически устойчивого удержания плазмы, которые вскоре завершились очевидным успехом. Была изготовлена ловушка, в которой, кроме обычных пробочных катушек, были установлены шесть дополнительных стабилизирующих проводников, параллельных оси ловушки с чередующимися направлениями токов, при включении которых величина магнитного поля, являющегося суперпозицией поля обычных пробочных катушек и стабилизирующих обмоток, нарастает от центра ловушки по всем направлениям.

Рис. 2

На рис. 2 показана ловушка со стабилизирующими обмотками (а), а также магнитные системы типа бейсбол (б) и йинг-янь (в), создающие магнитное поле с пробками и магнитной ямой. Эксперименты показали, что в ловушке с магнитной ямой плазма удерживается макроскопически устойчиво.

К сожалению, желобковая неустойчивость не исчерпывала список неустойчивостей, препятствующих длительному удержанию плазмы. Теоретический анализ показал, что свойственная ловушкам с пробками угловая анизотропия скоростей ионов в плазме является источником ряда неустойчивостей, названных конусными. Одна их них - так называемая дрейфово-конусная ионно-циклотронная неустойчивость (ДКИЦН) - была обнаружена экспериментально в ловушках ПР-6 и ПР-7 и подавлена теплой плазмой С плотностью порядка нескольких процентов от плотности горячей плазмы. Подавление макроскопической и конусной неустойчивостей расчистило путь к получению плотной плазмы с давлением , близким к давлению магнитного поля .

Этот шаг удалось сделать в середине 70-х годов в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в США на установке 2ХПВ, пробочной ловушке типа йинг-янь с магнитной ямой после завершения разработки мегаваттных инжекторов быстрых атомов. При инжекции в 2ХПВ потока быстрых атомов дейтерия с энергией 20 кэВ и интенсивностью до 450 эквивалентных ампер была накоплена квазистационарная плазма с плотностью ~10 14 см -3 . В максимальных режимах магнитное поле практически полностью вытеснялось из области удержания плазмы. Заметим, что этот результат до сих пор остается не превзойденным ни на одной из ловушек с квазистационарным удержанием плазмы.