velikol.ru
1







Доктор физико-математических наук П. М. КОВРИЖНЫХ

СТЕЛЛАРАТОРНАЯ

ПРОГРАММА

ИОФАНа

Цель настоящей статьи — рассказать о современ­ном состоянии исследований по удержанию высокотемпературной плазмы в замкнутых магнитных ловушках стеллараторного типа и о программе физических исследований, проводимых в лаборатории физики плазмы Института общей физики АН СССР (ИОФАН).

Стеллараторная программа ИОФАНа составляет часть общей про­граммы по осуществлению управляемого термоядерного синтеза. Она до­полняет и расширяет программу исследований на установках типа тока-маков и, возможно, окажется ее альтернативой. Хотя стеллараторная программа возникла одновременно с программой токамаков (первая — в США, вторая — в СССР), сейчас ее развитие отстает от развития про-грамммы токамаков (и по размерам установок, и по достижимым значе­ниям времени жизни плазмы в них) на 5—10 лет.

Это связано с рядом причин, в частности с неудачами, постигшими американских физиков в экспериментах на стеллараторе «С», прекраще­нием стеллараторных исследований в США и возникшим в результате этого у мирового термоядерного сообщества пессимистического отноше­ния к стеллараторной программе вообще. Сложившееся отношение стало меняться только в последние годы в результате успехов, достигнутых в различных лабораториях мира, и в частности в лаборатории физики плазмы ИОФАНа.

Прежде чем подытожить результаты, полученные на стеллараторах, п сформулировать современный статус стеллараторной программы, из ко­торого вытекают последующие задачи, позволим себе напомнить основ­ные принципы работы стелларатора как магнитной ловушки для высоко­температурной плазмы, сравнив ее для простоты объяснения с токамаком.

Для компенсации тороидального дрейфа (точнее, вызванных пм токов), возникающего из-за неоднородности тороидального (продольного) маг­нитного поля, необходимо создание так называемого вращательного пре­образования, которое характеризуется величиной, равной числу оборотов силовой линии по малому (полоидальному) азимуту после одного оборо­та ее по большому (тороидальному) азимуту.

В токамаке, схематическое изображение которого дано на рис. 1, такое вращательное преобразование создается током, текущим по плазме

^ Ma основных направлениях науки

84



и созданным с помощью внешней э.д.с, а в стеллараторе — винтовым полем, образованным специальными проводниками с током, уложенными вдоль вакуумной камеры по винту (рис. 2).

С этой, на первый взгляд не очень значительной, разницей и связа­ны все основные особенности (как преимущества, так и недостатки) стелларатора и его отличие от токамака.

Основное преимущество стелларатора — возможность работы в ста­ционарном режиме (что для токамака представляется пока проблематич­ным). Это имеет весьма большое значение для термоядерного реактора. Другое преимущество — отсутствие тока омического нагрева, представ­ляющего серьезную опасность с точки зрения устойчивости удерживае­мой плазмы и, наконец, последнее — наличие в стеллараторе естествен­ного дивертора — специальной магнитной системы для устранения при­месей из периферийных областей плазмы.

Кроме того, стеллараторы в определенном смысле — более управляе­мые системы, чем токамаки: с помощью незначительной коррекции вин­тового поля, приводящей к изменению структуры магнитных поверхностей и величины «магнитной ямы», можно изменять значения коэффициентов переноса и условия устойчивости.

К недостаткам стеллараторных систем следует причислить относи­тельную сложность конструкции магнитной системы и, что существенней, более высокое, чем у токамаков, значение соударительных потерь час­тиц и тепла, следующее из неоклассической теории и связанное с более сложной геометрией магнитного поля.

В настоящее время в мире насчитывается около 20 действующих установок стеллараторного типа. Крупнейшие из них (таблица) — «Ге-лиотрон-Е» (Япония), «Ванделынтейн-VIIA» (ФРГ), «Ливень-2» (СССР,

•€теллараторная программа ИОФАНа
85




Примечания. Вт — напряженность тороидального поля, R — большой радиус тора, а малый радиус плазмы, п — число периодов по малому азимуту, М — число периодов по большому азимуту.

ИОФАН) и «Ураган-3» (СССР, ХФТИ). Проектируются и в ближайшие годы вступят в строй еще две установки больших масштабов: ATF-I (США, Ок-Ридж) и W-VII AS (ФРГ, Гархинг). Знаменательно, что аме­риканские физики вновь возродили стеллараторную программу и в на­стоящее время рассматривают ее как одну из альтернативных программ по УТС.

Стеллараторная программа возникла в лаборатории физики плазмы ИОФАНа в начале 60-х годов, сразу же после публикации закрытых до тех пор работ США по УТС. За это время в лаборатории был сооружен ряд установок (Л-1, Тор-1, Тор-2, Л-2), на которых проведен широкий цикл исследований и получено много интересных результатов.

Каковы же основные итоги 20-летних исследований на стеллараторах, то есть каков современный статус стеллараторной программы? Коротко эти итоги можно сформулировать следующим образом.

Теоретически, а затем экспериментально было показано1 (ИОФАН), что магнитная структура стелларатора весьма чувствительна к так назы­ваемым резонансным возмущениям, приводящим к расщеплению (или даже полному разрушению) магнитных поверхностей и, следовательно, к повышенным потерям плазмы из ловушки (рис. 3). Заметим, что именно разрушение магнитных поверхностей стало причиной аномально высоких («бомовских») потерь плазмы в американском стеллараторе «С». В лаборатории физики плазмы ИОФАНа были разработаны методы обна­ружения и компенсации таких резонансных возмущений и развита кон­цепция топологически устойчивых магнитных конфигураций. Таким образом, было показано, что тщательное выполнение магнитной систе­мы — одно из необходимых условий удовлетворительного удержания плазмы в стеллараторах.

1 См.: ^ Коврижных Л. М.-ЖТФ, 1961, т. 31, с. 888; ЖТФ, 1962, т. 32, с. 526; Вата-нов Г. М., Гребенщиков С. Е., Ивановский М. А. и др.— Докл. АН СССР, 1965, т. 160, -с. 1293.

На основных направлениях науки

8S



Был предложен (ИОФАН) метод создания стеллараторного магнитно­го поля с помощью дискретных катушек2. Это предложение получило дальнейшее развитие и легло в основу разработки различных модульных вариантов получения винтового поля в стеллараторах, что представляет практический интерес для реактора-стелларатора.

Экспериментально показано (СССР, Япония, ФРГ), что наличие до­статочно сильного винтового (стеллараторного) поля позволяет подавить так называемую неустойчивость срыва (дисраптивную), приводящую к срыву тока и выбросу плазмы на стенки камеры (для токамаков эта неустойчивость представляет в настоящее время весьма серьезную опас­ность) .

При уменьшении тока омического нагрева эффективность термоизоля­ции плазмы увеличивается (уменьшаются потери энергии по электрон­ному каналу). Таким образом, оптимальным режимом работы стеллара-тора представляется бестоковый режим. Была экспериментально под­тверждена (ФРГ, Япония, СССР) не только возможность создания и нагрева, но и удержания плазмы в бестоковом режиме3. При этом есть основания считать, что за исключением, по-видимому, периферийной об­ласти плазмы потери энергии не имеют значительной аномалии. Эти результаты представляют большой интерес, ибо подтверждают возмож­ность эффективной работы стелларатора в бестоковом режиме.

Было установлено (СССР, ФРГ, Япония), что энергетические времена жизни плазмы в стеллараторах для исследованных режимов работы ока­зываются равными или даже большими, чем в токамаках с такими же размерами.

Исследование дополнительных методов нагрева плазмы (ионный и электронный циклотронный резонанс, инжекция быстрых нейтралов) по­казало (ФРГ, Япония, СССР), что они действуют в стеллараторах также эффективно, как и в токамаках. Более того, благодаря экспериментам, проведенным на Л-2 (ИОФАН) выяснилось, что нагрев ионов может быть весьма эффективным при работе на первой гармонике циклотрон­ной частоты.

С другой стороны, теоретические расчеты, в которых произошел зна­чительный прогресс, обнаружили, что существовавший ранее пессимизм в отношении максимально достижимых значений $ = 8пр/В2— давле­ние плазмы, В — напряженность магнитного поля) по равновесию и устойчивости оказался необоснованным.

Проведенные в последние годы расчеты, как аналитические (ИОФАН, ИАЭ), так и численные (ИОФАН, ИАЭ, ИПМ, Принстон, Ок-Ридж),

2 См.: ^ Попов С. И., Попрядухин А. П.— ЖТФ, 1966, т. 36, с. 390.

3 См., например: Труды 11-й Европейской конференции по физике плазмы и конт­
ролируемому синтезу. Аахен (ФРГ), сентябрь 1983 г.

^ Стеллараторная программа ИОФАНа 87

показали, что в стеллараторах при соответствующим образом выбранных параметрах теоретически возможно получение центральных значений Р^Ю—15%. При этом «магнитную яму», необходимую для обеспечения устойчивости, можно создать как с помощью соответствующего подбора дополнительных гармоник вакуумного поля (в бесшировых системах), так и в результате эффекта самостабилизации, возникающего из-за учета конечности давления плазмы 4.

Значительный прогресс произошел также в разработке неоклассиче­ской теории процессов переноса (ИОФАН), которая позволяет уже не только рассчитывать потери в системах с геометрией магнитного поля, достаточно близкой к реальной, но также в состоянии указать возмож­ные пути оптимизации стеллараторных систем в отношении переноса5. Это имеет большое значение, ибо, как уже отмечалось, один из наиболее •серьезных недостатков стеллараторов по сравнению с токамаками — возможность весьма высокой (супербаиановой) теплопроводности в них.

Теоретические расчеты (хотя и недостаточно пока полные) показы­вают (ИОФАН), что если аномальные потери не будут слишком велики по сравнению с неоклассическими, то в стеллараторных системах в прин­ципе возможно создание плазмы с параметрами, необходимыми для тер­моядерного горения.

Перечисленные результаты с учетом определенных преимуществ стеллараторных систем по сравнению с токамаками (стационарность, от­сутствие токовых неустоичивостеи, естественный дивертор, сравнительно большое аспективное отношение) позволяют уже рассматривать стеллара-тор как один из возможных вариантов будущего термоядерного реак­тора 6.

Однако для окончательного решения и даже до более или менее деталь­ной проработки инженерно-технологических вопросов необходимо ре­шить еще ряд чисто физических проблем — это может сыграть определяю­щую роль в выборе термоядерного реактора.

Из этих задач прежде всего следует отметить следующие.

Экспериментальная проверка возможности достижения предсказывае­мых теорией предельных по равновесию и устойчивости давлений, необ­ходимых для создания экономически оправданного термоядерного реак­тора.

Экспериментальное исследование характера процессов переноса (по­терь) в режиме редких столкновений (в котором должен работать буду­щий термоядерный реактор), сравнение данных эксперимента с теорети­ческими прогнозами и получение достаточно достоверных скейлингов, позволяющих оценить энергетическое время жизни плазмы в системах с реакторными параметрами.

Изучение удержания плазмы в стационарном режиме (или в течение достаточно долгого времени >1 с) и анализ влияния примесей (много­зарядных ионов) на характер нагрева плазмы.

Детальное исследование влияния омического тока и дополнительных методов нагрева на энергетическое время жизни плазмы; выяснение условий возникновения и природы аномальных потерь тепла.

Анализ влияния на характер удержания высокотемпературной плазмы дивертора и процессов, протекающих в пристеночной области.

Решение всех этих проблем требует создания новых установок, позво­ляющих получать плазму с более высокими параметрами (плотностью,

4 См., например: Kovrlzhnykh L. M., Shchepetov S. V.— Nuclear Fusion, 1983, v. 23,
,p. 859.

5 См., например: Kovrlzhnykh L. M.— Nuclear Fusion, 1984, v. 24. p. 851.
" См.: Kovrlzhnykh L. M.— Plasma Physics, 1984, v. 26, p. 195.

На основных направлениях науки

88.

температурой, временем жизни). Это практически невозможно на суще­ствующей установке Л-2 и из-за ее конструктивных недостатков (низкое значение магнитного поля, малая длительность «стола» поля ~20 мс, низкая надежность электротехнической системы, недостаточное число диагностических патрубков и т. д.), и из-за малого поперечного размера плазменного шнура, затрудняющего использование дополнительных мето­дов нагрева и получение достаточно плотной (./V(0)^10u см-3) и высоко­температурной — Г (0)^1—3 кэВ — плазмы.

Конечно, наиболее целесообразным с научной точки зрения было бы сооружение стелларатора, сравнимого по своим масштабам с токамаками нынешнего поколения (Т-10, PLT, TEXTOR). Однако из-за технических трудностей и отсутствия в институте необходимых площадей это пред­ставляется малореальным. Поэтому было принято компромиссное реше­ние о сооружении новой установки Л-2М, обладающей несколько мень­шими размерами. С одной стороны, она «вписывается» в рамки лаборато­рии и тем не менее даст возможность решить большую часть указанных выше проблем, а с другой — позволит поддержать стеллараторную про­грамму на современном мировом уровне.

Не вдаваясь в технические детали проекта Л-2М, укажем лишь, что установка представляет собой двухзаходный стелларатор, выполненный в торсатронном варианте без катушек продольного поля. Предусмотрены компенсационные обмотки, позволяющие изменять глубину магнитной ямы и смещение магнитной оси.

Проведенные теоретические оценки позволяют надеяться получить в установке при значении поля В =1,5 Т и центральной плотности 7V(0)=1014 см-3 плазму с температурой ионов и электронов порядка 1—2 кэВ, что соответствует значению (3(0) = 3,6—7,2%, то есть того же порядка, что и теоретически максимально возможные. Это должно позво­лить экспериментально проверить предсказания теории о предельных значениях (3 по равновесию и устойчивости.

Максимальные значения плотности и температуры плазмы УУ~1014 см-3,. Т~1 —2 кэВ) соответствуют области супербанановой диффузии. Экспе­рименты с меньшей плотностью позволят еще дальше проникнуть в бес-столкновительную область и, возможно, обнаружить область «резонанс­ной» диффузии и теплопроводности, соответствующую обращению в ноль амбиполярного электрического поля. Эти результаты будут иметь решаю­щее значение для проверки неоклассической теории и дальнейшего ис­пользования стеллараторных систем.

Таким образом, программу будущих физических исследований кратко можно сформулировать следующим образом.

Изучение возможности достижения максимально возможных значений [3 в стеллараторах и исследование причин, ограничивающих величину р как по равновесию, так и по устойчивости.

Исследование процессов переноса в области редких столкновений, где, согласно неоклассической теории, явно проявляются специфически стеллараторные эффекты (супербанановый перенос).

Изучение процессов переноса в периферийной плазме и исследование природы аномальной теплопроводности (если она проявится).

Исследование влияния тока омического нагрева и дополнительных методов нагрева на характер удержания плазмы в стеллараторе.

Дальнейшее исследование ВЧ-нагрева плазмы с помощью электронно-циклотронного и ионно-циклотронного резонансов, в частности эффектив­ного нагрева ионов на первой гармонике (обнаруженного в лаборатории: физики плазмы ИОФАНа).

УДК 533.9