От идеи - к ее осуществлению

Как реализовать идею магнитного удержания и термоизоляции плазмы? Пропустим через плазму сильный электрический ток. Он будет выполнять сразу три функции. Во-первых, электрический ток, если его пропустить через газ, будет создавать плазму. Ведь ток - это поток электронов, которые и будут ионизировать нейтральные атомы.

Bо-вторых, проходя через плазму, ток ее разогревает так же, как он разогревает спираль электроплитки.

В-третьих, ток создает вокруг себя магнитное поле - это самое важное. Когда ток проходит по проводнику, он окружает себя магнитными силовыми линиями. Таким образом, ток создает плазму, нагревает ее и, казалось бы, должен удерживать ее в подвешенном состоянии, предохраняя ее от контакта с холодными стенками установки. Но удержать плазму в магнитном плену не так-то легко.

Рис. 3. Тороидальная камера в разрезе и плазменный виток в ней.

Простейшей практической конструкцией, позволяющей создать и разогреть плазму, является тороидальная камера, т. е. камера в виде пустотелого бублика (рис. 3). Внутри бублика мы создаем замкнутый плазменный виток, по которому пропускаем ток большой силы (рис. 4). Но оказывается, что проводник с током - система неустойчивая. Электрические силы пытаются деформировать проводник с током. Почему можно пропускать ток через обычные металлические проводники? Потому что металлический проводник обладает жесткостью. Но если пропускать токи большой силы, то даже жесткий металлический проводник начал бы извиваться и вместо прямого проводника получилась бы запутанная змейка.

Рис. 4. Магнитное поле (Н₁) тока (I₁), текущего по плазменному витку.

Плазма - "мягкое" вещество. У нее нет сооствен-ной жесткости. Достаточно кольцевому плазменному витку хоть чуточку отклониться от положения равновесия - а причин для этого может быть сколько угодно, - и сразу же виток начнет изгибаться, обязательно стукнется о стенки камеры и отдаст ей свое тепло. Значит, магнитного поля тока, текущего по плазменному витку, недостаточно для обуздания плазмы. Но плазменный виток можно стабилизировать, предохранить от деформаций с помощью добавочного (внешнего) магнитного поля.

Для этого на тороидальную камеру наматывают катушку и пропускают по ней ток. Похожие катушки широко используются для создания магнитного поля в электромагнитах, трансформаторах, динамиках. Катушка создаст в камере продольное магнитное поле, силовые линии которого будут идти вдоль плазменного витка. Это поле сообщит плазменному витку необходимую жесткость, предохранит его от неустойчивости и от взаимодействия со стенками (рис. 5).

Рис. 5. Катушка с током (I₂), создающая продольное магнитное поле (H₂).

Теперь есть два магнитных поля - магнитное поле тока, текущего по плазме, и продольное поле, создаваемое катушкой, намотанной на поверхность тороидальной камеры. Такая комбинация двух полей представляет собой идеальную ловушку для отдельных заряженных частиц. Но для удержания плазменного витка, состоящего из множества частиц, двух полей снова оказывается недостаточно. Физикам известна закономерность, по которой любая электромагнитная система стремится увеличить свою индуктивность. Поэтому плазменный виток с током стремится растянуться, увеличить свой радиус, так как с увеличением радиуса возрастает и индуктивность витка.

Рис. 6. Силовые линии третьего магнитного поля (Н₃), которое служит для фиксации положения плазменного витка.

Остается сделать еще один шаг: добавить к двум полям третье слабое магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости плазменного витка (рис. 6). Такое поле, взаимодействуя с витком, может удержать его от расширения. Интересно, что это поле можно создать автоматически, без всяких внешних усилий. Надо окружить плазму толстым слоем хорошего проводника - одеть на бублик второй бублик, побольше, сделанный из толстой меди. Как только плазменный виток попытается отклониться от положения равновесия, в медной оболочке по закону электромагнитной индукции возникнет индукционный ток, текущий в обратном направлении по отношению к току в плазме. Индукционный ток будет отталкивать плазменный виток от стенки камеры. Таким образом, смещение витка вызывает появление противодействующей силы, и виток автоматически удерживается в равновесии вблизи продольной оси тороида.

Итак, функции магнитной термоизоляции распределены между тремя магнитными полями. Поле плазменного тока удерживает плазму в равновесии, сжимая ее в тонкий шнур и не давая частицам плазмы разлететься по всей камере. Продольное поле образует как бы жесткий каркас из силовых линий, обеспечивающий устойчивость кольцевого плазменного шнура, не дающий ему изогнуться, деформироваться. Поле индукционных токов фиксирует положение плазменного шнура относительно стенок камеры. Такая система магнитных полей применяется в исследованиях по программе Токамак.

перейти к началу страницы