Стрелков Основы текхники термоядерного експеримента 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

В.С. Стрелков, С.Е. Лысенко

Основы техники термоядерного эксперимента

Учебное пособие

Рекомендовано к изданию УМО «Ядерные физика и технологии»

Москва 2015

3

4

Предисловие редактора

Данное учебное пособие это обобщение материалов лекций, которые профессор-совместитель кафедры Вячеслав Сергеевич Стрелков много лет читал студентам кафедры физики плазмы, специализирующимся по физике термоядерных реакторов.

Книга состоит из двух частей. Первая часть посвящена системам токамак, а вторая – методом диагностики плазмы в токамаке. Токамаки – наиболее «продвинутый» тип магнитных ловушек, предложенный в нашей стране в начале 1950-х годов. На базе токамака разработан проект первого международного термоядерного реактора (ИТЭР). Вторая часть является переработанным и дополненным изданием учебного пособия по диагностике плазмы, выпущенного в 2004 году.

Вячеслав Сергеевич Стрелков доктор физико-математических наук, известный специалист в физике горячей плазмы и технике эксперимента на термоядерных установках, с самого начала своей научной деятельности и до настоящего времени принимающий самое активное участие в исследованиях на токамаках. Он участвовал в разработке и запуске первых токамаков, среди которых всемирно известные установки Т-3, Т-10 (Т-10 в свое время был флагманом советской экспериментальной физики и успешно эксплуатировался почти 40 лет). Под руководством В.С. Стрелкова создавался крупнейший нашей стране сверхпроводящий токамак Т-15. Много лет В.С. Стрелков возглавлял российскую группу по диагностике плазмы в международном проекте ИТЭР. Он окончил физический факультет МГУ, в настоящее время является советником директора НИЦ «Курчатовский институт».

Сергей Евгеньевич Лысенко кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник. Выпускник кафедры физики плазмы МИФИ. Много лет работает в отделе токамаков. Занимался электромагнитными измерениями на установках Т-3, Т-4 и Т-10, машинной обработкой экспериментальных данных, численным моделированием баланса энергии и частиц, диагностикой зондирования плазмы пучком тяжелых ионов.

5

Введение

Идея мирного использования энергии синтеза (слияния легких ядер), в первую очередь дейтерия и трития, возникла в умах учёных различных стран, которые в то время работали над военным применением ядерной энергии. Наиболее перспективной для термоядерного реактора является реакция

В дейтериевой плазме тоже могут протекать реакции синтеза:

Это были 1949–1951 годы: атомная бомба (реакция деления) есть, и у американцев, и у нас; водородной (реакция синтеза) – нет ни у нас, ни у них.

В СССР одним из факторов, привлекшим внимание правительства к проблеме УТС (управляемого термоядерного синтеза), стало письмо сержанта Олега Лаврентьева, посланное с острова Сахалин в ЦК партии. В этом письме наряду с предложением о водородной бомбе, что уже не являлось оригинальным, было предложение реализации стационарной термоядерной реакции в горячей дейтерийтритиевой плазме, удерживаемой статическим электрическим полем. Автор имел представление о том, что для реализации реакции слияния легких ядер заряженные частицы должны обладать относительно большой энергией, то есть топливо (смесь дейтерия и трития) в таком реакторе должно быть нагрето до очень высоких температур. Для этого было необходимо удерживать заряженные частицы от взаимодействия со стенками реактора. Итак, предложение О.А. Лаврентьева состояло в использовании статического электрического поля для термоизоляции горячей плазмы.

Это письмо, отправленное на рецензию в институт, где велись работы по созданию ядерного оружия, заставило будущих академиков И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова обратить внимание на проблему УТС как на потенциальную возможность создания интенсивного потока быстрых нейтронов и неограниченного источника энергии. Идея О.А. Лаврентьева об удержании плазмы стационарным элек-

6

трическим полем была отвергнута, так как статическое электрическое поле не может иметь замкнутых силовых линий. Заряженные частицы, двигаясь вдоль силовых линий электрического поля, неминуемо должны были столкнуться с системой сеток или проводников, создающих эти поля.

Для удержания плазмы в работах И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова [1.1] предлагалось использовать тороидальное магнитное поле, создаваемое токами, текущими во внешних проводниках. Силовые линии тороидального магнитного поля замкнутые, и, следовательно, возникала принципиальная возможность термоизоляции плазмы магнитным полем. Для нагрева плазмы предполагалось использовать омическое тепло тока, возбуждаемого в тороидальном плазменном шнуре. Однако простейшая конфигурация тороидального соленоида не могла обеспечить необходимую степень термоизоляции. Дрейф заряженных частиц в неоднородном магнитном поле, а тороидальное поле всегда неоднородно, приводил к аномально большим потокам частиц поперек магнитного поля.

Для уменьшения роли дрейфовых потерь в магнитном удержании необходима была «вторая идея». Эта идея – создание тороидальной магнитной конфигурации, обладающей «вращательным преобразованием». Дело в том, что сложение магнитного поля тока, протекающего по плазме или по жесткому тороидальному проводнику, «подвешенному» в центре тороидальной камеры, и тороидального магнитного поля внешних катушек, и приводит к созданию магнитной структуры, обладающей вращательным преобразованием.

5 мая 1951 года вышло совершено секретное постановление Совета Министров СССР, подписанное Сталиным, в котором прида-

валось «важное значение предложению т. Сахарова А.Д. об ис-

пользовании внутренней энергии лёгких элементов с помощью магнитного термоядерного реактора». Это постановление опре-

делило целый ряд конкретных мер по развитию «научноисследовательских работ по выяснению возможности получения самоподдерживающейся термоядерной реакции». В частности,

Л.А. Арцимович был назначен «научным руководителем работ по выяснению возможности создания МТР» (магнитного термо-

ядерного реактора).

7

Первые эксперименты показали, что в проблеме УТС исследователи должны иметь дело с искусственным объектом – горячей плазмой с температурой в сотни миллионов градусов. Задача состояла в том, чтобы получить объект исследований: плазму с параметрами, в чём-то приближенными к конечной цели, изучить её свойства и определить пути достижения более высоких параметров плазмы для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Следует заметить, что вот уже более шестидесяти лет ученые многих стран бьются над решением этой задачи.

На начальном этапе исследований выяснилось, что тороидальные системы слишком сложны для первых опытов по созданию горячей плазмы. По предложению Л.А. Арцимовича основное внимание было перенесено на исследование импульсных самосжимающихся (пинчевых) разрядов с токами до 1 миллиона ампер.

Результаты исследований плазмы в разрядах с большой силой тока, выполненные Л.А. Арцимовичем с сотрудниками, составили содержание доклада И.В. Курчатова в Англии в 1956 году. Этот доклад, сделанный в английском ядерном центре, был первой весточкой для всего мира о существовании совершено секретных работ по термоядерной проблеме. Через некоторое время появились отрывочные публикации о существовании таких же работ в других странах, в первую очередь в США и Англии. Через два года работы по УТС были полностью рассекречены.

Доклады по нагреву и удержанию горячей плазмы, представленные учёными из разных стран на 2-ю Женевскую конференцию по мирному использованию атомной энергии (1958 г.), описывали удивительную картину. Оказалось, что законы физики одинаковы по обе стороны от «железного занавеса», и подходы к решению проблемы УТС оказались фактически идентичными. Идея удержания плазмы в конфигурации с замкнутыми силовыми линиями магнитного поля, обладающего вращательным преобразованием, была предложена в США Л. Спитцером в виде системы под названием «стелларатор». В отличие от предложения Тамма и Сахарова, в стеллараторе вращательное преобразование достигалось или с помощью внешних токов, протекающих в специальных обмотках, или путём создания системы с пространственной магнитной осью. Прямые адиабатические магнитные ловушки у нас назывались «пробкотронами», у них – «машинами с магнитными зеркалами». С обе-

8

их сторон велись интенсивные исследования сильноточных пинчевых разрядов.

Идеи, изложенные в работах И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова, явились той базой, на которой в СССР почти 60 лет тому назад были начаты первые эксперименты на тороидальных установках с магнитным удержанием плазмы (токамак). Работы И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова были опубликованы в открытой печати в 1958 году. За рубежом программа токамак стала развиваться лишь после 1970 года, после того как на токамаках в Москве, в Институте атомной энергии была получена самая высокая по сравнению со всеми другими термоядерными установками степень термоизоляции плазмы (время удержания энергии E). Температура электронов Te росла в процессе нагрева плазмы и выходила на стационарный уровень, превышающий 1 кэВ [1.2]. В 1969 году на токамаке Т-3а впервые в мире были зарегистрированы нейтроны, рождённые в результате реакции синтеза ядер дейтерия в плазме, имеющей температуру ионов Ti > 0,4 кэВ [1.3]. Формально можно было сказать, что проблема УТС (управляемого термоядерного синтеза) решена. И казалось, что путь к термоядерной энергетике найден.

С этого времени в программу исследований на токамаках активно включились зарубежные лаборатории. Программа приобрела международный характер. Было построено более сотни новых токамаков. Параметры плазмы плотности n, значения ионной и электронной температур Ti, Te и времени удержания значительно превосходили результаты первых установок (рис. 1.1) [1.4].

Следует заметить, что на рисунке приведены только наивысшие значения, полученные в мире к определенному времени. Естественно, и в СССР, и в других странах эксперименты проводились и на других токамаках, но значения nTбыли ниже. По существу, данный график следует дополнить большим количеством точек, относящимся к разным установкам, однако все они будут лежать ниже точек графика. Определяющим фактором получения высоких значений является геометрические размеры машины. Рис. 1.1 отражает как прогресс в понимании физики удержания плазмы, развитие методов её нагрева, так и рост геометрических размеров установок. Отметим, что в современных экспериментах значения плотности, температуры ионов или электронов, взятые отдельно, в те-

9

чение импульса достигают (а иногда даже превосходят) значения, обычно используемые в расчётах термоядерного реактора.

Рис. 1.1. Наивысшие значения nT E, полученные на различных токамаках. ИТЭР – планируемое значение параметра nT для международной установки ИТЭР, сооружаемой во Франции

Колоссальный объём информации о физических свойствах плазмы, полученный мировым сообществом, инженерный опыт, накопленный за 30 лет экспериментальной работы, позволили поставить конце 70-х годов прошлого столетия вопрос о сооружении международной установки ИТЭР (рис. 1.2). К началу текущего столетия сооружение ИТЭРа стало реальностью. Первоначально в качестве конечной цели исследований на этой установке являлись получение самоподдерживающейся термоядерной D-T-реакции в режиме отдельных импульсов длительностью в 1000 секунд (около 20 минут) и демонстрация возможности производства электроэнергии. В процессе разработки проекта конечная цель проекта стала менее амбициозной – изучение оптимальных путей реализации самоподдерживающейся термоядерной D-T-реакции. Оглядываясь назад, мы можем сказать, что реальный путь к проблеме практического

10