Техника - молодёжи 2004-02, страница 36

сти (20 МВт) показало, что ток снижается лишь до величины 40 кА. Реализация даже таких токов является исключительно сложной задачей.

Оценим применимость упомянутых формул в нашем случае. В расчетах принято постоянство плотностей гн и п₂ по объему. Движение дейтериевой плазмы через тритие-вую сопровождается задержкой быстрых электронов, а в последующем — изменением направления движения всех электронов плазмы силами электрического поля между анодом и катодом. Таким образом, в струе образуются два тока: первый — направленным движением ядер (ионный ток) и второй — потоком электронов. Доля ионного тока в плазменных шнурах меньше одного процента от общего и ей обычно пренебрегают. В нашем же случае ионный ток эквивалентен потоку ядер из ускорителя и формирователя, им пренебречь нельзя, однако в условиях реактора он в несколько раз меньше электронного тока.

Протекание электрического тока создает в сечении струи и за его пределами магнитное поле, которое спадает до нуля в центре сечения. При движении электронов и ядер в магнитном поле сечения на них оказывают влияние силы Лармора, которые искривляют их траекторию движения так, что они периодически пересекают осевую линию струи.

Ввиду различных скоростей и масс электронов и ядер траектории их движения вдоль струи различны. При сравнительно большой плотности ядер струи, равной 10" 1/см³, происходит быстрое выравнивание энергий ядер дейтерия, трития и в меньшей мере электронов. Из сказанного следует, что упомянутые выше формулы смогут дать достоверные результаты для условий струи плазмы с током, если в них будет учтено распределение плотности ядер струи по сечению.

Другой важный вопрос связан с принятым в упомянутом расчете диаметром струи равном 0,5 мм, что существенно меньше достигнутого в мировой практике по плазменным шнурам с током (1 см). О сжатии струи за счет конической направленности потока плазмы сказано. Плазма шнура с током состоит из хаотических движущихся ядер и упорядочение движущихся электронов, создающих электрический ток. Половина ядер в каждый момент времени имеет осевую составляющую скорости, совпадающую по направлению с током, а другая половина имеет встречное направление. Уход ядра атома из шнура приведет к перемещению электрона на поверхность последнего. Электрические силы поля электронов могут вернуть часть ядер в шнур. При этом под действием электрического поля между катодом и анодом возникает движение электронов вдоль шнура, т.е. создается ток в поверхностной части шнура. Магнитное поле внутри шнура этим током усилено не будет, поэтому ядра с аналогичной скоростью также смогут выходить из него, хотя и на несколько меньшее расстояние. Ситуации, когда все ядра данно-

Траектории движения ядер в плазменной струе (а) и неподвижном плазменном шнуре (б). Сплошными линиями показаны траектории ядер дейтерия (d), пунктирными — трития (t), V — скорость частиц, h — электронный ток, Ош — диаметр шнура, Н — магнитное поле

го направления скорости покинут шнур и останутся только ядра с другим направлением скорости, не будет. Оставшиеся в шнуре ядра вновь разделятся на две равные части по направлению их скорости, а тенденция процесса сохранится и т.д.

Итак, наряду с магнитными силами, сжимающими плазменный шнур с током, в нем имеются условия для утечки ядер, что препятствует получению плазмы желаемой плотности. Парадоксально, но условия утечки становятся более благоприятными по мере сжатия шнура, увеличения тока и магнитного поля в нем, энергии и скорости ядер. Таким образом, траектории ядер в шнуре предопределяют невозможность его сильного сжатия и получения плазмы высокой плотности. Вероятно, этим объяснимы трудности получения шнуров плазмы малого диаметра. Струю же плазмы с током, когда скорость переносного движения ядер близка к тепловой скорости и имеет осевую составляющую встречную току, сжать до нужной плотности возможно при относительно небольших токах. Поэтому никаких противоречий в информации по сжатию плазмы нет: разные случаи, разные условия, разные результаты — обычное дело.

С учетом сказанного имеется перспектива существенного уменьшения (по сравнению с ранее приведенными данными) расчетной плотности плазменной струи и величины электрического тока для ее сжатия. Это позволит создавать аноды и катоды приемлемых размеров, повышать электрический КПД устройства, реализовать проект пока относительно небольшой (1 — 5 МВт) мощности.

Весьма важным для плазменной струи с током является вопрос ее устойчивости. Известно, что для плазменных шнуров с током этот вопрос оказался весьма сложным, на него потрачено много сил и времени, но до сих пор он не имеет удовлетворительного решения. При рассмотрении устойчивости струи будем помнить об устойчивости шнура как отправной точке для сравнения. При отсутствии внешнего магнитного поля для прямолинейного шнура с током характерны неустойчивости типа перетяжки и изгиба. Они хорошо изучены.

Рассмотрим возможности образования и существования коротких и длинных перетяжек в струе плазмы с током.

А) Перетяжка неподвижна по длине струи и создалась в ее начальной части. Ударом налетевшей плазмы короткая перетяжка мгновенно разрушается. Достаточных электромагнитных сил, которые препятствовали бы этому, нет. Масса частиц плазмы в составе перетяжки очень мала, чтобы препятствовать потоку частиц. В длинной перетяжке радиальная составляющая от динамиче

4-4-4- +^Н 4- 4- 4-

о • н • * во о

Т EX Н И КА-М О

ОДЕЖИ 2 2004

34