Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
вблизи стенок была равной 0,8 Тл, длина рабочего объема 1,5 м, диаметр 40 см.
Первые же эксперименты окрылили физиков. Устойчивость плазмы возросла в 35 раз
по сравнению с устойчивостью, имевшей место на чистых пробкотронах, и плазма
жила в течение нескольких сотых долей секунды.
В 1964 г. вступила в строй установка "Огра-11", в которой также использован
принцип комбинированных магнитных полей.
Усложнение конфигурации магнитного поля — ключ к долгоживущей плазме. Созданы
магнитные системы со встречными полями (установка "Орех"), антипробкотроны и
другие весьма изощренные установки.
Можно попытаться преодолеть "ускользание" частиц из рабочей зоны через
"горлышки" магнитных бутылок типа пробкотрон еще одним остроумным способом:
сделать рабочую зону не цилиндрической, а тороидальной. В этом случае частица,
ускользающая из пробкотрона через горлышко, опять оказывается в рабочей зоне!
Эта идея, оказавшаяся очень жизнеспособной, и была использована во множестве
модификаций. Что будет, например, если создать в тороидальной камере продольное
магнитное поле? Любая заряженная частица, попавшая в камеру, должна была бы
двигаться так, чтобы ее траектория "навивалась" на магнитные силовые линии.
Однако вскоре сами авторы нашли в своей системе серьезный дефект. Оказалось, что
в тороидальной камере, где магнитные силовые линии искривлены, индукция
магнитного поля (густота силовых линий) у внутренней стенки трубы выше, чем у
наружной. Это объясняется упругостью силовых линий, стремлением их как можно
больше сократиться. В результате у внутренней стенки, где путь короче,
скапливается больше силовых линий, чем у наружной.
Эта неоднородность магнитного поля изменяет спиральный характер орбит частиц.
Вблизи внутренней поверхности замкнутой на себя трубы — тора, где поле больше,
частицы должны были бы двигаться по орбите с меньшим радиусом, чем около внешней
поверхности. В результате этого заряженные частицы "дрейфуют" поперек силовых
линий магнитного поля, причем положительно заряженные ядра налетают на "потолок"
трубы, а электроны — на ее "дно". Этот дрейф частиц — вещь довольно неприятная
сама по себе, но косвенный эффект дрейфа просто катастрофичен. Разделение
зарядов по знаку вызывает возникновение в пространстве камеры непредусмотренного
электрического поля, которое совершенно искажает орбиты частиц, бросая их на
стенки камеры.
Как избежать неоднородности магнитного поля? Как сделать так, чтобы силовые
линии в тороидальной камере были равной длины?
Этого можно добиться в том случае, если заставить силовую линию, которая идет
вдоль внутренней поверхности камеры, на каком-то участке поменяться местами с
силовой линией, идущей около внешней поверхности. Тогда длина всех силовых линий
была бы одинаковой, и все силовые линии оказались бы в равных условиях: каждая
силовая линия, сделав виток по поверхности тора, не попадала бы в прежнюю точку,
а образовывала бы поверхность, называемую магнитной поверхностью.
Такого эффекта можно было бы достичь, изгибая силовые линии вокруг оси тора. В
этом случае силовые линии имели бы примерно такую же форму, как отдельные нити
крученой веревки. Во вращательно-преобразованном магнитном поле дрейф частиц
свелся бы к минимуму.
Частицы, быстро движущиеся вдоль силовых линий и таким образом все время
огибающие ось камеры, не могут упасть на нижнюю или верхнюю стенку. Когда
частица, дрейфующая вверх, находится ниже оси, она, естественно, стремится
отодвинуться от нее; когда же частица находится внизу, тот же самый дрейф вверх
компенсирует прежнее смещение, подвигая ее к оси. В результате среднее
расстояние частицы от оси остается неизменным. Подобная система использована в
стеллараторе, построенном в США. Его камера в плане имеет вид гаревой дорожки
стадиона. Внутренний радиус камеры 20 см, длина по оси 12 м, индукция магнитного
поля около 5 Тл. Мощность питающей электроустановки 15 тыс. кВт.
Остроумный способ "вращательного преобразования" или "свисания" магнитных
силовых линий был предложен американским физиком Л.Спитцером и советским физиком
академиком Л.А.Арцимовичем.
Мы уже говорили о том, что обычное "нескрученное" продольное магнитное поле
обладает неоднородностью, приводящей к тому, что отрицательные частицы врезаются
в "пол", а положительные — в "потолок" камеры. А что, если, оставив одну
половину тора неизменной, перепутать "пол" и "потолок" в другой половине или,
короче говоря, превратить тор-бублик в восьмерку? Тогда, начав падать в одной
половине бывшего тора, частица должна будет "падать вверх" на другой его
половине и, таким образом, в среднем останется на одном расстоянии от оси
камеры.
Если оценить тороидальные камеры типа стелларатора с винтовой обмоткой,
преобразованные в восьмерку, то можно сделать вывод о том, что стеллараторы —
это весьма совершенные магнитные системы для удержания плазмы. Их недостаток —
трудность изготовления и дороговизна.
А нельзя ли для удержания плазмы в магнитном поле использовать магнитное поле
самой плазмы? Если в плазме есть какое-то упорядоченное движение заряженных
частиц в одну сторону, то это означает, что плазма представляет собой гибкий
шнур с электрическим током, так как, по определению, электрический ток — это и
есть упорядоченное движение заряженных частиц.
Ток создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого опоясывают
провод, по которому этот ток проходит. Одним из важных свойств силовых линий
является их стремление идти по кратчайшему пути, их упругость, максвелловское
натяжение, приводящее к тому, что силовые линии стремятся сжать опоясываемый ими
проводник с током. В случае обычных медных проводов упругость силовых линий не
может привести к уменьшению диаметра проводов, поскольку кристаллическую решетку
твердых тел деформировать довольно трудно. Если ток течет по плазменному шнуру,
то упругость силовых линий, охватывающих этот шнур, приводит к тому, что шнур
уменьшается в сечении и отходит от стенок камеры. Это явление, получившее
название пинч-эффекта, казалось бы, полностью решает задачу магнитной
термоизоляции плазмы: стоит "организовать" в плазме ток, как она сама отойдет от
его стенок и сожмется в тонкий шнур в середине сосуда.
Однако здесь начинает действовать свойство заряженных частиц (и, следовательно,
плазмы в целом) выталкиваться в область с более слабым полем, туда, где меньше
силовых линий, где они расположены не так густо. Это свойство приводит к тому,
что малейший изгиб или местное сужение плазменного шнура в конце концов приводит
к аварийному процессу. Пусть, например, в силу каких-либо случайных
обстоятельств в шнуре образовался небольшой изгиб. Тогда на выпуклой части
изогнутого шнура силовые линии магнитного поля становятся более редкими, а на
вогнутой — более густыми. Плазменный шнур начинает выталкиваться из той области,
где силовые линии расположены гуще, наружу, к стенкам сосуда, изгиб плазменного
шнура увеличивается, и плазма в конце концов попадает на стенки камеры. Это
происходит так же, как в сжатой длинной пружине, которая, как известно,
неустойчива к поперечным деформациям. Точно таким же образом местное сужение
плазменного шнура приводит к еще большему его сужению, а затем — к разрыву.
Бороться с этими явлениями можно при помощи магнитного поля. Если вдоль
плазменного шнура проходят силовые линии магнитного поля, создаваемого каким-то
посторонним источником, то упругость этих линий приведет к тому, что любой
изгиб, случайно возникший у шнура, будет ликвидирован так же, как и случайное
сужение шнура. Примерно то же самое произойдет, если внутри сжатой пружины
пропустить растянутые упругие жгуты.
Чтобы возвращение плазмы в устойчивое состояние проходило более эффективно,
необходимо создать в ней очень сильное продольное магнитное поле.
Другим действенным способом преодоления изгибов плазменного шнура, особенно
изгибов с большим радиусом, может быть использование более или менее массивного
металлического кожуха, сосуда, в котором содержится плазма. Между кожухом и
плазменным шнуром проходит какой-то магнитный поток, т. е. существует магнитное
поле с его условными силовыми линиями. Если плазменный шнур сместится со своего
