Техника - молодёжи 1990-11, страница 14

На переднем крае науки

Эта публикация — продолжение темы, начатой тем же автором в статье «Термояд: пути и перепутья» («ТМ» №7 за 1989 г.). Там рассматривались проблемы и перспективы работ по управляемому термоядерному синтезу (УТС) в самых популярных на сегодня реакторах — токомаках. Здесь обсуждаются возможности другого класса тороидальных реакторов — стеллараторов и сравниваются эти два параллельных пути к УТС.

ТЕРМОЯД:

пути ведут на Луну?

Сергей ПОПОВ,

кандидат физико-математических наук

все

«ВОСЬМЕРКА» СПИТЦЕРА, или Первый блин комом

В 1951 году, в то время когда И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров уже разрабатывали концепцию токамаков, у астрофизика Принстонского университета в США Лаймана Спитцера возникла своя идея термоядерного реактора, названного им «СТЕЛЛАРАТОР» (от латинского stella — звезда и tor — тороид). На базе идей Спитцера была немедленно развернута исследовательская работа с привлечением ряда институтов и фирм. Стеллараторы вошли в общую программу УТС США, названную «Проект Шервуд» (надо ли напоминать, что исследования по УТС были тогда засекречены во всем мире).

Изначальный принцип удержания в магнитных ловушках токамаков и стеллараторов один и тот же: плазма находится в тороидальной вакуумной камере, а изолируется от ее стенок магнитным полем с силовыми линиями винтообразной (типа шнека мясорубки) конфигурации. Такая геометрия силовых линий необходима в любом случае: иначе, в простом тороидальном поле, в плазме произойдет разделение зарядов, и она быстро сдрейфует к наружной поверхности тороида. Здесь важно то, что винтовые линии не замыкаются сами на себя, как'это было бы в чисто тороидальном поле, но закручиваются все новыми витками, формируя внутри камеры вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности. И в токамаке, и в стелла-раторе каждая такая поверхность образуется только одной линией магнитного поля теоретически бесконечной длины. Значит, и заряженные частицы плазмы, навивающиеся на такую линию, также «бесконечно» долго будут существовать на ней, не дрейфуя на стенки.

Разница двух видов тороидальных реакторов — лишь в способе создания винтообразного магнитного поля. В токамаках оно возникает за счет

пропускания тока в самой плазме, а в стеллараторах организуется с помощью одних только внешних магнитных соленоидов.

Самой первой идеей Спитцера было получение стеллараторного поля за счет деформации тороидальной камеры в неполную восьмерку (рис. 1). Действительно, из рисунка видно, что по мере обхода такой фигуры, напоминающей одностороннюю поверхность Мебиуса, одна и та же стенка камеры попеременно оказывается то наружной, то внутренней. Понятно, что то же самое справедливо и для любой силовой линии магнитного поля соленоидов (сплошные стрелки). Все эти линии становятся винтообразными, формируя нужные магнитные поверхности.

Однако «восьмерка» сразу же проявила два недостатка. Первый, чисто конструктивный,— нетехнологичность пространственной конфигурации установки. Второй, принципиальный,— возникновение теоретически не предусмотренной конвективной неустойчивости плазмы, ее утекания опять-таки в сторону наружной стенки. Поскольку никто не знал, в чем причина этого недуга, а значит, и как с ним бороться, дальнейшие исследования были прекращены, и тайм-аут длился около трех лет.

НОВАЯ НАДЕЖДА — ВИНТОВЫЕ ОБМОТКИ

Новое оживление наступило, когда известный физик Эдвард Теллер высказал основополагающую идею: плазма устойчива лишь в случае, если опирается на выпуклую магнитную поверхность. Но ведь на внешней стороне тороида магнитные поверхности всегда только вогнуты! Как же удержать плазму от конвекции?

И тут снова сработала интуиция и изобретательность Спитцера. Он понял, что магнитные поверхности по мере

перемещения вдоль тороида должны слой за слоем проворачиваться вокруг его оси одна внутри другой. Такой сдвиг нарушает регулярность витков силовых линий, и частицы плазмы как бы запутываются в них.

Спитцер исходил из простой геометрической аналогии: искусственные посадки леса, где деревья стоят как солдатики в строю, легко преодолимы, а джунгли с хаотической растительностью трудно пройти даже с топором. Аналогия оказалась на редкость полезной. А впоследствии было теоретически подтверждено, что сдвиг магнитных поверхностей действительно стабилизирует конвективную неустойчивость плазмы.

При этом оказалось, что для обеспечения сдвига достаточно наряду с соленоидами продольного (тороидального) поля ввести обмотку, витки которой обходят тороид по винтовой линии. Поскольку одна такая спираль создавала бы нежелательное поперечное магнитное поле, для компенсации ввели вторую такую же обмотку с током противоположного знака (рис. 2).

Как часто бывает, полезная идея повлекла за собой и побочные выгоды; выяснилось, что тороид с винтовыми обмотками уже не нужно скручивать в «восьмерку» — важное конструктивное упрощение магнитной системы.

Вся стеллараторная программа США делилась на четыре этапа, обозначенные буквами А, В, С и D. На последних установках серий А и В (всего их было более двух десятков) прошла проверку идея винтовых обмоток. Это позволило перейти к проекту стеллара-тора С — установки с подреакторными параметрами, где, в частности, рас-

Р и с. 1. «Восьмерка» Спитцера (США):

1 — направление магнитных силовых линий;

2 — соленоид продольного магнитного поля.

Рис. 2. Фрагмент тороидальной камеры с двумя противоположно направленными винтовыми обмотками.

12