открытые ловушки

ОТКРЫТЫЕ ЛОВУШКИ - разновидность магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для О. л. характерна линейная геометрия, причём силовые линии магн. поля пересекают торцевые поверхности плазмы (с последним обстоятельством и связано происхождение термина "О. л." - они "открыты" с торцов).
О. л. имеют ряд потенц. преимуществ по сравнению с замкнутыми: они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магн. поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, мн. разновидности О. л. могут работать в полностью стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе О. л. требует ещё эксперим. доказательств.
Пробкотрон - наиб. распространённый тип О. л. (рис. 1, а). Предложен в нач. 1950-х гг. независимо Г. И. Будкером и Р. Постом (R. Post). Участки сильного магн. поля на концах этой ловушки удерживают плазму, поэтому их наз. магн. пробками.

Рис. 1. Различные типы открытых магнитных ловушек (точками показана плазма): а - пробкотрон; б - амбиполярная ловушка (О - длинный центральный пробкотрон, 1 - короткие концевые пробкотроны); в - антипробкотрон (0 - куль магнитного поля, А - осевая щель, В - кольцевая щель); г - многопробочная ловушка.

Удержание частицы в пробкотроне обусловлено адиабатич. инвариантностью её магн. момента, имеющей место в условиях, когда ларморовский радиус частицы мал по сравнению с масштабом изменения магн. поля (см. Адиабатические инварианты ).В нерелятивистском приближении магн. момент частицы где Н - напряжённость магн. поля, а т и - масса и перпендикулярная магн. полю составляющая скорости частицы. Из адиабатич. инвариантности и закона сохранения энергии частицы следует, что при условии (где Н_макс - макс. значение магн. поля в пробках) частица отражается от пробок и совершает финитное движение внутри ловушки.
Если обозначить индексом "0" значения всех величин в минимуме магн. поля, то условие можно записать в виде

Величину R наз. "пробочным отношением". Из условия (1) следует, что при данном соотношении полей Н_макс и Н₀ в ловушке удерживаются только те частицы, вектор скорости к-рых лежит в пространстве скоростей вне "конуса потерь" [конуса с осью, параллельной магн. полю, и с углом при вершине =
В осесимметричном пробкотроне плазма, как правило, подвержена желобковой неустойчивости, приводящей к просачиванию плазмы поперёк магн. поля в виде узких языков. Неустойчивость возникает потому, что в таком пробкотроне модуль магн. поля спадает в радиальном направлении, а плазме энергетически выгодно перемещаться в область слабого ноля. Для стабилизации желобковой неустойчивости применяются неосесимметричные магн. поля, имеющие абс. минимум Н в области удержания.
Пробкотроны заполняют горячей плазмой, инжектируя быстрые атомы водорода. Проникая поперёк магн. поля в плазму, они захватываются там вследствие ионизации и перезарядки и обеспечивают поддержание материального и энергетич. баланса плазмы. Таким методом в пробкотроне 2ХПВ в Ливерморской лаборатории (США) в 1976 получена квазистационарная плазма с плотностью ~10¹⁴ см^-3 и темп-рой ионов Т_i 10⁸К.
Упругие столкновения ионов плазмы друг с другом приводят к их рассеянию, попаданию в конус потерь и выходу из пробкотрона. Расчёты показывают, что определяемое этим процессом время жизни плазмы в пробкотроне может быть оценено по ф-ле

где - время рассеяния иона на угол порядка единицы. Эта оценка справедлива в условиях, когда длина пробкотрона мала по сравнению с длиной свободного пробега ионов
Время рассеяния электронов очень мало по сравнению с и поэтому ф-ция распределения электронов близка к максвелловской. В частности, она изотропна, т. е. значит. часть электронов находится в конусе потерь и могла бы вылететь из ловушки через пробки. В таких условиях квазинейтральность плазмы обеспечивается возникающим в ней амбиполярным электрич. полем, препятствующим потерям электронов. Распределение амбиполярного потенциала вдоль нек-рой силовой линии магн. поля даётся ф-лой

где Т_е - темп-pa электронов, п - локальная плотность плазмы. Амбиполярное электрич. поле приводит к нек-рому ухудшению удержания ионов.
К большому дополнит. уменьшению времени жизни ионов приводит их рассеяние на надтепловых флуктуациях электрич. поля, к-рые могут возникать вследствие анизотропии ионной ф-ции распределения (анизотропия связана с отсутствием ионов в конусе потерь). Относительно малое время жизни в пробкотроне делает перспективы применения таких систем в качестве термоядерных реакторов не слишком благоприятными. В связи с этим в разное время было предложено неск. усовершенствованных типов О. л., основанных на идее пробкотрона.

Амбиполярная ловушка. Одна из возможностей повышения времени удержания ионов связана с использованием амбиполярного электрич. поля. К длинному пробкотрону О (рис. 1, б)с плазмой умеренной плотности с каждой стороны присоединяется по короткому пробкотрону 1, в к-рых с помощью интенсивной инжекции высокоэнергетич. нейтральных атомов поддерживается высокая плотность плазмы. Тогда в соответствии с (3) между центральным и крайними пробкотронами возникает разность потенциалов, равная (Т_е/е)1п(п₁/п₀), и для ионов центр. пробкотрона появляется эл--статич. потенц. яма. При достаточно большом перепаде плотности глубина ямы будет столь велика, что потери ионов из центр. пробкотрона станут пренебрежимо малыми. Разумеется, поддержание высокой плотности плазмы в концевых пробкотронах требует определ. энергетич. затрат, но эти затраты не зависят от длины центр. пробкотрона. А т. к. мощность термоядерного энерговыделения в нём пропорц. его длине, то, делая центр. пробкотрон достаточно длинным, можно обеспечить положит. энергетич. баланс системы в целом.

Рис. 2. Схема амбиполярной ловушки ТМХ: 1 - аксиально-несимметричная обмотка концевого пробкотрона, обеспечивающая минимум магнитного поля Н на оси; 2 - обмотки центрального соленоида; 3 - переходные обмотки; 4 - плазма; 5 - инжекторы нейтральных атомов. Характерная "веерная" форма плазмы вблизи концов установки обусловлена свойствами магнитного поля установки. В центральном соленоиде сечение плазмы круглое.

В экспериментах на ряде амбиполярных ловушек в кон. 70-х - нач. 80-х гг. было показано, что амбиполярное удержание ионов центр. пробкотрона действительно существует. При создании нужного распределения плотности время жизни ионов центр. пробкотроиа возрастало в ~ 10 раз по сравнению с оценкой (2). Параметры плазмы центр. пробкотрона были при этом довольно умеренными (в установке ТМХ, схема к-рой приведена на рис. 2, T_i ~ 100 эВ, n_i ~10¹³ см³).
Трудности повышения параметров плазмы в амбиполярных ловушках связаны гл. обр. с возможностью усиленного рассеяния ионов концевых пробкотронов на надтепловых флуктуациях.
Неосесимметричные магн. поля, используемые для стабилизации желобковой неустойчивости, могут быть источником усиленного поперечного переноса плазмы, напоминающего неоклассич. перенос в замкнутых ловушках. Поэтому необходимо отыскать топологически несложные осесимметричные магн. конфигурации, в к-рых плазма была бы устойчива по отношению к желобковым возмущениям.
Т. н. антипробкотрон, возникающий при "встречном" включении двух соосных магн. катушек (рис. 1, в), - одна из обладающих таким свойством конфигурации.
Модуль магн. поля в этой ловушке обладает абс. минимумом в центре системы, но этот минимум равен нулю. Соответственно, вблизи центра антипробкотрона нарушается адиабатич. инвариантность и плазма из этой области быстро теряется вдоль силовых линий. Для устранения этих потерь можно использовать в осевой А и кольцевой В щелях антипробкотрона систему спец. электродов, предотвращающих потери электронов. Удержание ионов будет тогда обеспечено собств. амбиполярным потенциалом плазмы. Техн. ограничения затрудняют экстраполяцию этой схемы к реакторным параметрам плазмы. Возможно, антипробкотроны найдут применение в качестве стабилизирующего элемента в амбиполярных ловушках.
Совсем др. возможности увеличения времени удержания связаны с переходом к О. л. с длиной L, превышающей длину свободного пробега ионов. Пример систем такого типа - многопробочная ловушка (МПЛ), предложенная в нач. 70-х гг. Установка имеет вид цепочки связанных между собой пробкотронов (рис. 1, г), причём длина каждого меньше. В такой О. л. время жизни плазмы возрастает в раз по отношению к оценке (2).
Др. установка, относящаяся к этому классу, - т. н. газодинамич. ловушка (ГДЛ), представляющая собой пробкотрон с большим пробочным отношением (R = 50 - 100) и с длиной L >/R. Время жизни плазмы в ГДЛ в LR/раз больше оценки (2). Особенность ГДЛ состоит в том, что желобковая неустойчивость в ней может быть подавлена даже в простой осесимметричной конфигурации магн. поля.
Достоинством О. л. с L >IR (МПЛ, ГДЛ) является то, что продольные потери плазмы из них не зависят от микрофлуктуаций, недостатком - то, что длина таких установок (в реакторном варианте) относительно велика.

Лит.: Чуянов В. А., Адиабатические магнитные ловушки, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 1, ч. 1, М., 1980; Чириков Б. В., Динамика частиц в магнитных ловушках, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 13, М., 1984; Рютов Д. Д., Ступаков Г. В., Процессы переноса в аксиально-несимметричных открытых ловушках, там же; Пастухов В. П., Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках, там же; Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН", 1988, т. 154, с. 565.

Д. Д. Рютов.