стелларатор

СТЕЛЛАРАТОР (от англ, stellar - звёздный) - замкнутая магнитная ловушка, в к-рой необходимая для удержания плазмы конфигурация магн. поля создаётся токами, текущими вне плазменного объёма. С. представляет собой одну из разновидностей тороидальных систем, магн. поле к-рых характеризуется наличием тороидальных (в топологич. смысле) магн. поверхностей с вращат. преобразованием (сдвигом, поворотом) силовых линий. Впервые на возможность существования в магн. поле таких поверхностей указал И. Е. Тамм (1928) на примере кольца с током, помещённого в продольное тороидальное магн. поле. В этом случае силовые магн. линии представляют собой тороидальные спирали, навивающиеся вокруг осевой линии кольцевого тока и совершающие в ср. от оборотов по малому азимуту при п обходах вдоль тора. Важной характеристикой С. является вращательное преобразование - величина, определяющая число обходов по малому азимуту при одном обходе вдоль тора: ц = т/га. Если и. есть число иррациональное, то магн. силовая линия не замыкается сама на себя, образуя при бесконечном движении вдоль тора некую магн. поверхность. В случае рациональных происходит вырождение магн. поверхностей - они состоят из множества силовых линий, замкнутых на себя после п обходов вокруг тора. Вся магн. конфигурация представляет собой семейство вложенных друг в друга магн. поверхностей с осью, совпадающей с центром кольцевого тока.

Подобные магн. конфигурации получили практич. использование в связи с развитием работ по управляемому термоядерному синтезу с магн. удержанием плазмы. Идею плазменной магн. ловушки с токовыми проводниками, расположенными снаружи замкнутых магн. поверхностей, выдвинул Л. Спитцер (L. Spitzer); он же предложил название для таких систем - С., т. е. тор из звёздного вещества.

Вращат. преобразование силовых линий приводит к компенсации тороидального дрейфа заряж. частиц, обеспечивая равновесие плазмы. Дрейфовые траектории большинства частиц плазмы (т. н. пролётных) оказываются близкими к магн. поверхностям и смещены на величину порядка ( - ларморовский радиус частицы). Переход с одной дрейфовой траектории на другую происходит лишь в результате столкновений с др. частицами. Исключение составляют частицы с малыми продольными скоростями, запертые в локальных минимумах винтового и тороидального полей. Отклонение их траекторий от магн. поверхностей существенно больше и именно этими частицами в случае редких столкновений в горячей плазме определяются коэф. диффузии и теплопроводности (неоклассич. теория переноса; см. Переноса процессы).

В классич. С. к тороидальному магн. полю добавляется магн. поле 2l винтовых обмоток с чередующимся направлением токов. Магн. поле внутри винтовых проводников не очень крутого тора описывается потенциалом

где В_т - тороидальное магн. поле, - относит. амплитуда винтовых гармоник, (L - шаг винтовой обмотки) и - пространственные координаты,- модифициров. ф-ция Бесселя. Внутри данного объёма возникают два вида силовых линий: силовые линии, охватывающие винтовые проводники, и внутр. линии, образующие магн. поверхности. Поверхность, разделяющая обе эти области, наз. сепаратрисой. В пренебрежении торойдальностью и вкладом более высоких гармоник она представляет собой l-угольную винтовую поверхность с шагом, равным шагу винтовой обмотки, и рёбрами, расположенными напротив проводников с направлением тока, противоположным направлению продольного поля В_т при правом винтовом обходе, и наоборот - при левом. Схематич. изображение поперечного сечения магн. поверхностей для С. l=3 и l=2 приведено на рис. 1. Силовые линии замкнутых магн. поверхностей отстают от вращения рёбер сепаратрисы. Совершая радиальные и азимутальные колебания, силовые линии дрейфуют по малому азимуту, обеспечивая ср. угол преобразования поворота. На рис. 2 изображена поперечная проекция силовой линии на нек-рой магн. поверхности.

Рис. 1. Поперечное сечение магнитных поверхностей для стелларатора с l = 3 (а), с l = 2 (б).

Рис. 2. Поперечная проекция силовой линии;и - минимальный и максимальный радиусы магнитных поверхностей.

Рис. 3. Схема конструкции стелларатора - торсатрона ATF: 1 - механическая оболочка; 2 - вакуумная камера; 3 - винтовые обмотки; 4 - внутренние обмотки поперечного поля; 5 - средние обмотки поперечного поля; 6 - внешние обмотки поперечного поля; 7 - фланец вакуумной камеры; 8 - опоры установки; 9 - основание; 10 - место для исследовательской аппаратуры.

Преобразование поворота в С. возникает в результате усреднения вдоль тороидальной системы несмотря на то, что среднее полоидальное магн. поле внутри винтовых проводников равно нулю, Полоидальный магн. поток через продольную перегородку dS между близкими магн. поверхностями не равен нулю и соответственно вращат. преооразование h, численно равно , где dФ - продольный магн. поток, охватываемый данными поверхностями. Др. характеристикой магн. поля С. является величина радиальной производной вращат. преобразования , или т. н. шир(- усреднённый радиус сечения магн. поверхности), характеризующий степень перекрещенности силовых линий при переходе с одной поверхности на другую. Создание достаточной величины шира необходимо для обеспечения устойчивости плазмы в системе. Величины и характеризуют также степень топологич. устойчивости магн. структуры С. Для обеспечения заданной структуры поля необходима высокая точность изготовления магн. обмоток С. Неизбежные неточности изготовления установки могут приводить к заметной деформации магн. поверхностей. Особую опасность для удержания плазмы представляют резонансные возмущения рациональных магн. поверхностей с низкими значениями от и и, приводящие к образованию т. н. магн. островов (см. Пересоединение магн. полей), что равносильно уменьшению эффективного поперечного размера системы. Устойчивость плазмы в С. может быть также обеспечена при низких значениях магн. шира при наличии ср. магн. ямы (см. Стабилизация неустойчивостей плазмы).

Магн. поле С. может быть создано разл. способами. Системы, где тороидальное и винтовое поля создаются винтовыми обмотками с однонаправленными токами, наз. торсатронами. Гелиотрон - установка, в к-рой наряду с торсатронными обмотками используются катушки, создающие часть тороидального магн. потока. Магн. поле С. может быть создано и без винтовых обмоток - с помощью специально профилированных катушек. Разрабатываются и более сложные системы с пространственной магн. осью.

Первые эксперта, исследования на С. (США, 1950-е- 60-е гг.) были неудачны: на всех установках наблюдалась повышенная Бома диффузия плазмы. Причины неудач - относительно низкие значения полоидальных магн. полей и отсутствие контроля за качеством магн. поверхностей. Успехи в СССР на установках типа токамак привели к закрытию амер. стеллараторной программы и переключению усилий на исследования на токамаках. В 1960-х гг. исследования по С. переместились в СССР, ФРГ, Великобританию и Японию. На С. Л-1 (ФИАН) впервые был разработан метод измерения структуры магн. поверхностей и показано, что диффузия плазмы, созданной внеш. инжекцией, примерно на порядок медленнее бомовской. На С. «Вандельштейн-1» (ФРГ) было показано, что холодная (Т 0,2 эВ) цезиевая плазма удерживается в С. классически. Исследования, проведённые во мн. лабораториях мира на небольших установках с относительной холодной и неплотной плазмой, показали удовлетворит. удержание плазмы в С. В нач. 70-х гг. на установке «Ураган» (Харьков) был успешно проведён ионно-циклотронный нагрев плазмы и показано, что потери энергии по ионному каналу близки к неоклассическим. В сер. 70-х гг. были введены в строй С. 2-го поколения: Л-2 (СССР), «Вандельштейн-VIIA» (ФРГ) и «Клео» (Великобритания), на к-рых при омич. нагреве была получена плазма плотностью см^-3 и темп-рой Т_е 0,5 кэВ, доступная ранее только на токамаках. На С. «Вандельштейн-VIIA» была создана бестоковая плазма в режиме инжекции пучков нейтральных атомов; проводятся исследования бестоковой плазмы, создаваемой методом электронного циклотронного резонанса и инжекции нейтральных пучков. В 80-х гг. были сооружены крупные установки «Гелиотрон-Е» (Япония), «Вандельштейн-VIIAS» (ФРГ), ATF (США), на к-рых были достигнуты более высокие параметры плазмы: кэВ (нагрев при электронном циклотронном резонансе), см^-3 и (нейтральная инжекция). Гл. преимущество С. - возможность стационарной работы. В 1991 на С. ATF было продемонстрировано удержание горячей плазмы в течение 20 с; проектируются С. «Вандельштейн-VIIX» и «LHD» со сверх-проводящими магн. обмотками, работающими в стационарном режиме.

Лит.: Рабинович М. С., Экспериментальные исследования на стеллараторах, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т. 2, М., 1981, с. 6; Ш а ф р а н о в В. Д., Тороидальные системы для управления термоядерного синтеза, там же, т. 8, М., 1988, с. 131; Волков Е. Д., Супруненко В. А., Ш и ш к и н А. А., Стеллатор, К., 1983. С. Е. Гребенщиков.

   <<      Предметный указатель      >>