Глава VI. Излучение плазмы

Большую роль в тепловом балансе плазмы может играть ее излучение. В горячей области, особенно в случае использования сильных магнитных полей, существенный вклад в энергобаланс дает циклотронное излучение.

Не менее существенную роль может играть и тормозное излучение, которое может стать особенно существенным при переходе от реакции на смеси дейтерия и трития к реакции D+He³ . Эта реакция хороша тем, что ее продуктами являются только заряженные частицы, обычный гелий и протон, которые удерживаются магнитным полем, и реактор не требует мощной радиационной защиты. Однако эта реакция должна протекать при значительно более высокой температуре, чем реакция D+T, и тормозное излучение может стать весьма значительным.

В плазме, помимо ионов водорода, присутствует также небольшое количество ионов примесей. Обычно их доля составляет не более нескольких процентов от числа ионов дейтерия, но они лишь частично ионизованы, и их линейчатое излучение может давать определяющий вклад в энергобаланс, а также приводить к различным неустойчивостям. Линейчатое излучение наиболее интенсивно в периферийной зоне, однако оно может приводить к нарушению глобального равновесия и устойчивости.

Кроме того, будет слегка затронуто и рекомбинационное излучение, которое не играет столь определяющей роли, как другие виды излучения, однако в некоторых случаях его учет может быть важным.

VI.1. Циклотронное и тормозное излучения

Циклотронное излучение отдельной нерелятивистской заряженной частицы в магнитном поле может быть вычислено по формуле

, (VI.1.1)

где - вторая производная по времени от дипольного момента системы зарядов , - радиус-вектор i-го заряда. Для отдельного электрона, вращающегося в магнитном поле, можно написать:

. (VI.1.2)

Подставляя второе из этих соотношений в (VII.1.1) и усредняя по распределению Максвелла, получаем для интенсивности излучения единицы объема.

. (VI.1.3)

Здесь - энергосодержание единицы объема, - характерное время высвечивания этого энергосодержания. Для оценки времени высвечивания всей энергии положим и получим . Такие потери очень велики. Однако плазма в токамаке непрозрачна для такого излучения вследствие резонансного поглощения -квантов. Поэтому для интегральных потерь за счет циклотронного излучения, выходящего через поверхность, вводят множитель Ф:

; (VI.1.4)

Здесь , коэффициент учитывает отражение от стенки, а - неоднородность магнитного поля.

Излучение ультрарелятивистского излучения имеет весьма своеобразный характер. Спектр его содержит множество гармоник циклотронной частоты (рис. 12), а излучение остро направлено вдоль направления скорости.

Рис. 12. Спектр (качественный) излучения ультрарелятивистского электрона

Тормозное излучение, в отличие от циклотронного, имеет сплошной спектр. В условиях термоядерного синтеза излучением ионов можно пренебречь. Интенсивность излучения электрона на голом ядре. Характерная частота этого излучения по порядку величины может быть определена как . Интенсивность излучения при торможении электрона на голом ядре, выраженная в , описывается формулой

. (VI.1.5)

Здесь z – заряд ядра, а температура измеряется в электронвольтах. Излучение иона с зарядом z, имеющего электронный остаток, может описываться той же формулой, если электрон не проникает глубоко в электронную оболочку.