2.3. Открытые ловушки
Одним из способов магнитного удержания плазмы являются открытые ловушки. Если в токамаке или стеллараторе хорошее удержание плазмы обеспечивается наличием замкнутых магнитных поверхностей, то в открытых системах удержание частиц в направлении вдоль магнитного поля достигается за счет создания магнитных или электростатических пробок на концах магнитных ловушек. Магнитная пробка представляет из себя область с большим, чем в основной части ловушки, магнитным полем. При движении частицы в область с увеличивающимся магнитным полем, по мере роста величины индукции магнитного поля, угол наклона скорости частицы по отношению к силовой линии должен увеличиваться. Если синус этого угла достигнет предельного значения, равного единице, то продольная скорость частицы обратится в ноль. Частица перестанет перемещаться вдоль силовой линии – она отразится и станет двигаться назад по направлению к центру системы, затем, пройдя область с минимальным магнитным полем, достигнет противоположного конца, где поле вновь увеличивается, вновь отразится здесь, и так далее. Другими словами, частица окажется «запертой» между магнитными пробками (mirror). Очевидно, что в поле данной системы могут удерживаться не все частицы, а только те, скорость которых в точке рождения имеет достаточно большой угол наклона к силовой линии, с тем, чтобы в сечении с наибольшим магнитным полем (или раньше) частица отразилась.
Конус направлений, в пределах которого частицы покидают ловушку, носит название опасного конуса потерь. Системы, в которых все силовые линии выходят за пределы рабочей камеры, называются открытыми. Из-за симметрии геометрии удерживающего магнитного поля такие ловушки еще называют аксиально-симметричными.
На международной конференции в Женеве в 1958 году Московская и Американская группы доложили о создании больших ловушек с зеркальным удержанием: Direct Current Experiment (DCX) и ОГРА. ОГРА расшифровывается как «один грамм нейтронов сутки», которые советская команда хотела получить на этой установке. Установка DCX уже работала, ОГРА на тот момент уже монтировалась.
Плазма, образующаяся в магнитных системах, как правило, очень неравновесная. Естественно, условия устойчивого удержания плазмы, не были известны изначально. Поэтому историю термоядерных исследований, в определенном смысле, можно трактовать как историю открытия новых неустойчивостей плазмы, разработки методов их подавления.
При создании систем для удержания плазмы нужно располагать плазменный сгусток по возможности так, чтобы магнитное поле возрастало от него во всех направлениях, т.е. располагать плазму в области минимального магнитного поля. Именно по возможности. Поскольку создание конфигураций магнитного поля, в которых поле нарастало бы во всех направлениях, очевидно, не возможно. Речь может идти лишь о нарастании наружу в среднем, когда вклад участников с благоприятной для удержания кривизной силовых линий превалирует над вкладом участников с неблагоприятной кривизной, где поле убывает.
Рис.2. Стержни Иоффе
Это и выражает содержание принципа «минимума B». Предложены различные способы создания магнитных полей удовлетворяющих этому принципу: наложение на поле простого пробкотрона «стержней Иоффе»(Рис.), применение специальных катушек типа «бейсбол», катушки «инь-янь» (Рис.) и другие.
Рис.3. Обмотки для создания квадрупольного поля с «минимумом В».
(а) – обмотка «бейсбол»; (b) – обмотки «инь-янь».
Применение квадрупольных пробок «инь-янь» в системе 2XIIB, собранной в Ливеморе, позволило получить МГД стабильную плазму с очень хорошими показателями. Причем, полученная в таких условиях плазма изменяла магнитное поля так, что поле в центральной ячейке уменьшалось, и, следовательно, возрастало пробочное отношение. Боле того, этот эксперимент показал, что принцип «минимума В» способен подавить желобковые нестабильности в системе с высоким пробочным отношением. После этого применение этого принципа стало обязательным для всех установок.
В 1976 году Г.И. Димов из Новосибирска представил свою открытую ловушку с амбиполярными отражателями. Амбиполярная ловушка состоит из длинной центральной соленоида и двух отражающих катушек с каждого конца, концевых пробок.
Идея состояла в получении плазмы с высоким амбиполярным потенциалом в концевых пробках, так чтобы ионы в центральной камере удерживались бы электростатически вдоль оси. В центральной секции температура ионов находится в районе 10-20 кэВ для оптимизации скорости реакции, но она в концевых пробках она порядка 1 МэВ для минимизации потерь в барьере из-за рассеяния. Температура электронов в центре и на концах предполагалась одинаковой. Предложение Димова вызвало новую волну экспериментов. В Новосибирске началось создание установки Амбал, американское правительство выделило 11 млн. долларов на разработку системы TMX (Tandem Mirror Experiment), которая стала наследницей 2XIIB. Но первыми успеха добилась японцы, запустив в 1978 амбиполярную ловушку GAMMA-6.
Оригинальная конструкция амбиполярной ловушки, тем не менее, все еще страдала от высокого переноса энергии в пробках от ионов к более холодным электронам. Следовательно, выгодно было создать в пробках плазму с низкой концентрацией и высокой температурой ионов, но эта плазма должна была быть термически изолирована от центральной ячейки. Для достижения этой цели, Балдвин (Baldwin) и Логан (Logan) из Ливермора предложили использовать термический барьер – зону с пониженной плотность электронов и отрицательным электрическим потенциалом между пробкой и центральной камерой. Для поддержания маленькой плотности плазмы в барьере необходимо было каким-либо способом откачивать ионы. Это можно было реализовать, например, с помощью обмена зарядами в нейтральном луче, направленном так, чтобы преобразовать захваченные ионы в не захваченные. В результате, центральная плазма с обоих концов сначала видела отрицательный потенциал термического барьера, а потом уже положительный потенциал пробки.
Для преодоления кинетических нестабильностей в концевых пробках, Ливерморская группа использовала «размазанное» ионное распределение, создаваемое путем инжектирования ионов в концевую пробку прямо в центр или перпендикулярно рядом с зеркалами. Вдобавок, распределение скоростей ионов полученных таким образом согласовалось с двухвершинным распределением плотности с максимумами в точках отражения, это повышало минимум потенциала в середине барьерной ячейки. Он снижался электронами с почти перпендикулярными скоростями, полученными в результате ECRH и удерживаемыми около середины для создания отрицательного потенциала термического барьера.
Естественно амбиполярных ловушки имели квадрупольные концевые пробки с обмотками «инь-янь» для МГД стабильности.
В 1977 году в Ливерморской лаборатории началось создание самой большая амбиполярной ловушки, Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Предполагалось, что эта установка станет промежуточным шагом между существующими ловушками и экспериментальным термоядерным реактором. Целью было получение плотности плазмы в 100 раз больше чем 2XIIB, и увеличение температуры до 500 миллионов. Ни разу не запущенная она была преобразована в MFTF-B. Строительство завершилось 1985 году. Это был самый крупный проект лаборатории, в совокупности на него было потрачено около 320 млн. долларов. Установка имела центральную ячейку, ионные пробки, термические барьеры и квадрупольные МГД стабилизаторы. Все идеи, использованные в этой ловушке, были опробованы по отдельности, но возможность работы их одновременно так и не была продемонстрирована. Из-за уменьшения бюджета установка была закрыта в феврале 1986 года, сразу же после того как все главные компоненты системы были протестированы по отдельности, и конструкция была официально завершена. Так что полная демонстрация возможностей этой возможно высокоэффективной ловушки не была показана. Средства было решено направить на исследования удержания плазмы в токамаках. К тому же большие токамаки вроде TFTR, JET и JT-60 уже показывали прекрасные результаты.
Закрытие MFTF-B привело полной остановке программы США по созданию амбиполярных ловушек. Таким образом, исследования в этой области продолжаются только в России и Японии.