инерциальное удержание

ИНЕРЦИАЛЬНОЕ УДЕРЖАНИЕ плазмы - основанный на использовании инерции вещества способ создания или сохранения требуемых условий в плазме (темп-ры и плотности) в течение нек-рого времени, т. н. времени И. у. t_иу. Удержание плазмы тесно связано с проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС). В отличие от квазистационарного магнитного удержания, при к-ром магн. поле препятствует разлёту плазмы и уменьшает потери энергии, связанные с теплопроводностью и вылетом заряж. частиц, при И. у. плазма движется беспрепятственно, а условия, необходимые для осуществления ядерного синтеза (напр., дейтерия и трития), создаются и существуют на стадиях сжатия и расширения. Поэтому системы, в к-рых осуществляется И. у., являются в принципе нестационарными: время И. у. t_иу складывается из времени сжатия и расширения плазмы. Если в сфере радиуса R₀ находится горячая плазма со ср. темп-рой Т₀, состоящая из ядер трития, дейтерия и электронов с плотностями n_т, n_D и n_е соответственно, то количество реакций синтеза в сферич. объёме V за единицу времени определяется ур-нием:

Здесь <sv>_DT см³/с - скорость DT-реакции в ед. объёма, усреднённая по максвелловским распределениям дейтронов и тритонов и являющаяся ф-цией только темп-ры Т₀, m_D,T - масса дейтронов и тритонов, s - сечение реакции, v - тепловая скорость частиц. Время, в течение к-рого эффективно протекает термоядерная реакция, пропорционально времени гидродинамич. движения (сжатия и расширения) t_иу~R₀/v_дв. Скорость движения плазмы v_дв пропорциональна изотермич. скорости звука v_эв в сжатом состоянии плазмы (при сжатии плазмы эта скорость задаётся внеш. условиями):

Для идеального газа

где M_i - масса иона, Z - атомный номер. Тогда относит, число прореагировавших атомов D (или Т) можно оценить из (1) с учётом (2), (3):

Здесь плотность дейтронов ,r₀ - нач. плотность плазмы. Важной характеристикой плазмы, определяющей её способность к самоподогреву за счёт поглощения a-частиц, рождающихся в термоядерной реакции, и, следовательно, к осуществлению самоподдерживающейся термоядерной реакции, является число пробегов a-частиц на характерном для плазмы размере l_a:

Т. о., возможность осуществления самоподдерживающейся реакции и её эффективность, характеризующие качество удержания, зависят от плотности и размера плазмы в начале процесса, т. е. от величины r₀R₀. При термоядерных темп-pax (T₀=1-10 кэВ) скорости разлёта плазмы составляют 10⁷410⁸ см/с и эфф. термоядерное горение в режиме И. у. возможно лишь при плотностях плазмы nд10²³ см^-3, т. е. существенно превышающих даже плотность частиц в твёрдом теле; другими словами, необходимо существенное сжатие плазмы. Наиб, эффективно сжимать плазму в системах с центр, симметрией (цилиндр, сфера). Из закона сохранения массы следует, что при сжатии в цилиндрич. случае M~rR², rR~r^1/2, а в сферич. случае M~rR³, rR~r^2/3. Для достижения высокой плотности наиб, выгодным является режим адиабатич. сжатия с мин. нач. энергией сжимаемого вещества. Для идеального газа (Е=pV/(g-1), pV^g=const) из условия адиабатичности следует выражение для степени объёмного сжатия: V₀/V=(E/E₀)^1/(g-1). (6) Здесь Е₀ и V₀ - нач. энергия и объём сжимаемого газа, Е и V - его конечные энергия и объём, g - отношение теплоёмкостей c_p/с_v при пост, давлении и объёме. Из (6) следует, что в системах с И. у. для достижения наибольшего сжатия целесообразно стремиться к уменьшению величины Е₀, что в принципе возможно при "медленном" сжатии, когда ударные волны, создающие нач. нагрев, являются слабыми. Из ф-лы (3) видно, что в таких системах выгодно использовать вещества с большим атомным весом, т. к. при заданной темп-ре и давлении разлёт будет происходить с меньшими скоростями. Поэтому в системах И. у. иногда используют оболочки из тяжёлых материалов. Препятствием к достижению высоких степеней сжатия является гидродинамич. неустойчивость (см. Неустойчивости плазмы ),приводящая к ограничению макс, плотности из-за нарушения симметрии в конечной фазе сжатия. Для устойчивости системы И. у. необходима также симметрия и однородность нач. состояния мишени и сжимающего давления. Плотность вещества в конечном сжатом состоянии зависит не только от величины нач. подогрева и развития неустойчивости, но и от сопротивления вещества сжатию, определяемого его ур-нием состояния. Давление вырожденного газа электронов снижает возможно достижимое в системах И. у. значение макс, плотности (теоретически r=10³-10⁴ г/см³). Системы, в к-рых реализуется И. у., многообразны. К ним относятся самосжимающиеся под действием собственного поля (пинчующиеся) разряды, системы с самосжимающимися плазменными конфигурациями и приложенными внеш. полями (Z- и q-пинчи, см. Пинчэффект). В установках плазменный фокус сжатие плазмы происходит токовой оболочкой, сходящейся к оси симметрии установки. Сжатие плазмы может также осуществляться ускоряемым к оси симметрии цилиндрич. слоем (лайнером). В указанных выше системах плотность частиц плазмы не превышает 10²⁰ см^-3. Для И. у. используют пучки фотонов и пучки заряж. частиц. В 80-е гг. экспериментально и теоретически наиб, исследовано применение для этих целей мощных лазерных пучков. Достигнуто объёмное сжатие вещества >5^.10⁴ раз и абс. плотность термоядерного горючего ~40 г/см³ (см. Лазерный термоядерный синтез). Лит.: Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Басов Н. Г., Крохин О. Н., Применение лазеров для термоядерного синтеза, "Вестник АН СССР", 1970, № 6, с. 55; Теория нагрева и сжатия низкоэнтропийных термоядерных мишеней, "Тр. ФИАН", 1982, т. 134. В. Б. Розанов, Е. Г. Гамалий.

   <<      Предметный указатель      >>