МЕТОДЫ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В УСТАНОВКАХ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА С МАГНИТНЫМ УДЕРЖАНИЕМ ПЛАЗМЫ

HEATING METHODS OF PLASMA IN FACILITIES FOR RESEARCH OF CONTROLLED THERMONUCLEAR FUSION WITH MAGNETIC CONFINEMENT OF PLASMA

Azizkhan Satibekov

Master’s student, Department of Technical Physics and Thermal Power Engineering, Semey Shakarim University,

Kazakhstan, Semey

АННОТАЦИЯ

Достижение температуры необходимой для запуска термоядерной реакции является одной из фундаментальных проблем в освоении управляемого термоядерного синтеза. Еще на заре исследований на установках типа токамак ученным стало понятно, что стандартного омического нагрева недостаточно для достижения необходимых температур. В данной статье приводится краткий обзор методов нагрева плазмы в установках по исследованию управляемого термоядерного синтеза.

ABSTRACT

Achieving the temperature required to start a thermonuclear reaction is one of the fundamental problems in mastering controlled thermonuclear fusion. Even at the dawn of research on tokamak-type facilities, scientists realized that standard ohmic heating was not enough to achieve the required temperatures. This article provides a brief overview of plasma heating methods in installations for the study of controlled thermonuclear fusion.

Ключевые слова: плазма; нагрев; термоядерный синтез.

Keywords: plasma; heat; thermonuclear fusion.

Во время эксплуатации термоядерного реактора часть генерируемой энергии будет идти на поддержание температуры плазмы за счет нагрева поступающих трития и дейтерия. Таким образом реакция будет самоподдерживающейся. Но для того чтобы запустить реакцию необходимо достичь рабочей температуры более 10 кэВ (более 100 миллионов градусов Цельсия) [1]. На данный момент на установках с магнитным удержанием плазмы вырабатывается недостаточно энергии для поддержания реакции, поэтому необходимо поддерживать реакцию при помощи постоянного внешнего нагрева.

Так как плазма является электропроводящей, её нагрев можно осуществить резистивным методом, т.е. пропустив через неё ток. Такой нагрев называется индуцированным или омическим и является основным во время начального нагрева. Ток индуцируется за счет увеличения тока в электромагнитной обмотке которая связана с плазменным тором, таким образом плазму можно сравнить со вторичной обмоткой трансформатора. Этот процесс является импульсным так как присутствует ограничение на ток проходящий в первичной обмотке. Степень нагрева зависит от сопротивления плазмы и величины индуцированного тока протекающей в ней. Однако, в плазме с повышением температуры уменьшается её сопротивление и таким образом эффективность омического нагрева падает [2]. Таким образом максимальная величина омического нагрева ограничена величиной в 20-30 миллионов градусов Цельсия. Для достижения более высоких температур необходимо применять дополнительные методы нагрева.

Также плазму можно нагреть за счет быстрого уменьшения её объёма, обусловленного увеличением ограничивающего магнитного поля. В установках типа токамак такое сжатие достигается перемещением плазмы в область с более сильны магнитным полем. Помимо нагрева этот метод обеспечивает дополнительное преимущество за счет увеличения плотности плазмы.

Радиочастотный нагрев плазмы обеспечивается за счет высокочастотных электромагнитных волн которые генерируется вне тора осцилляторами такими как клистроны и гиротроны. Существует различные методы радиочастотного нагрева классифицируемые по значению частоты излучения. Методы ВЧ нагрева можно разделить на нагрев на частоте альфвеновского (AW), ионно-циклотронного резонанса (ICR), нижнегибридного (LH) и электронно-циклотронного резонанса (ECR) [3]. Данный нагрев обеспечивается за счет непосредственной передачи энергии ионизированным частицам в плазме с увеличением кинетической энергии этих частиц, за счет взаимодействие разогнанных частиц с остальным объемом плазмы происходит нагрев плазмы в целом. От значения частоты излучения зависит тип нагреваемых частиц, так, например, для ионно-циклотронного резонанса основными нагреваемыми частицами являются ионы в плазме.

Инжекция нейтралов подразумевает введение в омически нагретую плазму высокоэнергетических (быстрых) нейтральных атомов. Особенностью этого метода является тот факт, что из-за технической возможности в прямом ускорении нейтральных атомов, ионы и электроны ускоряются по отдельности. А так как на установках типа токамак плазма удерживается магнитными полями, заряженные частицы не могут преодолеть этот магнитный барьер. Поэтому используется принцип рекомбинации разноименно заряженных частиц. Таким образом у нас есть два пучка частиц (ионы и электроны), направленных перекрестно, а в месте пересечения эти частицы рекомбинируют превращаясь в нейтральные атомы и при этом сохраняя свою кинетическую скорость. При попадании такого пучка во внутренний объём токамака происходит взаимодействие нейтралов с ионами плазмы. В результате возникает два эффекта. Во-первых, введенные нейтралы подвергаются вторичной ионизации оказываясь в магнитной ловушке и увеличивая таким образом массу и плотность плазмы. Во-вторых, процесс ионизации возникает за счёт многочисленного рассеяния энергии нейтралов на ионах плазмы, таким образом вызывая нагрев. Помимо нагрева плазмы инжекцию нейтралов можно использовать в качестве диагностического инструмента и для управления обратной связью. Для этого создаётся импульсный пучок, состоящий из последовательности импульсов длительностью 2-10 мс.  Как правило, для таких систем основным топливом является дейтерий с применением водорода и гелия в отдельных экспериментах.

Список литературы:

1. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. – М.: Физматлит, 1961. – 467 с.
2. Митришкин Ю.В. Управление плазмой в токамаках. Ч. 1. Проблема управляемого термоядерного синтеза. Токамаки. Компоненты систем управления // Проблемы управления. – 2018. – №1. – С. 2– 20.
3. Глухих В.А., Беляков В.А., Минеев А.Б. Физико-технические основы управляемого термоядерного синтеза. – СПб.: Издательство Политехнического ун-ета, 2006. – 348 c.