Мирнов Енергия из воды 2007

впервые осуществлены на специальном токамаке Т0-1 в 1971 г. (Л.И. Артеменков и др.). В настоящее время практически все токамаки снабжены такими системами.

В1971 г. Л.А. Арцимович и В.Д. Шафранов предложили существенно расширить возможности токамака, вытянув его магнитную конфигурацию по вертикали ("перстеньковый токамак"). С целью проверки этого предложения был выстроен специальный токамак (Т-9, 1973) масштаба ТМ-2 ( R=40 см, a =7см), но с возможностью растяжения шнура по вертикали в 4 раза. Соответствующий эксперимент (А.В. Бортников и др. 1973) впервые продемонстрировал возможность вертикального растяжения в 2 раза. Далее эта система без больших переделок была успешно развита в малый токамак с двухнулевым дивертором (Т-12, 1978). Как известно, именно такие конфигурации токамаков стали в настоящее время общепринятыми.

В1979 г. под научным руководством А.П. Попрядухина был построен токамак с рейстреком и классическим "дивертором Спитцера". Он продемонстрировал достаточно высокую эффективность. Наиболее значительные эксперименты, поставленные на нем в последнее время: подавление колебаний m=2 путем подачи электрических потенциалов между диверторными пластинами (Н.В. Иванов и др. 1990)

Исследованиям поведения токамака в условиях предельно низких плотностей (ne ≤1012cм-3) была посвящена многолетняя работа К.А. Разумовой с сотрудниками на токамаке ТМ-3. Ими фактически был исследован процесс ускорения и релаксации электронных пучков в токамаке. При этом они обнаружили и изучили характерную "веерную" неустойчивость, предсказанную Б.Б. Кадомцевым и О.П. Погуце (1968), приводящую к

"развороту" электронного пучка поперек поля Вт. Часть электронов, выдрейфовывающих при этом на стенку камеры, способна вызвать серьезные разрушения. Как показали исследования К.А. Разумовой (1977), чтобы избежать этого не следует поднимать плотность тока в шнуре выше

j = 1,4.10 2 ( ne/1013) А/см2 (критерий Разумовой).

Именно этот критерий ограничивает область устойчивости со стороны низких ne. Таким образом, была в основных чертах

121

завершена феноменологическая картина пределов устойчивости и термоизоляции.

В 1971 г. за "получение и исследование высокотемпературной термоядерной плазмы на установках токамак" Л.А. Арцимовичу и его сотрудникам: В.Д. Шафранову, В.С. Стрелкову, Д.П. Иванову, К.А. Разумовой, В.С. Муховатову, Е.П. Горбунову, С.В. Мирнову, А.К. Спиридонову, А.М. Усу, М.П. Петрову (ЛФТИ), Н.А. Моносзону (НИИЭФА) была присуждена Государственная премия СССР.

Следующим этапом физической программы стало детальное изучение коэффициентов переноса в токамаках (в основном, теплопроводности) и исследование природы неустойчивости срыва. Очевидно, что феноменологические закономерности требуют физической расшифровки, и явление будет понято до конца только после создания адекватной математической модели. Прежде всего, ревизии требовала модель классического переноса из-за парных кулоновских столкновений. Парадоксально, но на протяжении почти 15 лет основополагающие в этом направлении идеи Г.И. Будкера (1951 г.) оказались не востребованы. Суть их однако была проста. Траектории частиц, движущихся в токамаке вдоль тора, представляют собой окружности, смещенные относительно центра на величину qρл (где ρл – ларморовский

цилиндре, а на qρл. То есть поперечный перенос должен быть интенсивней, чем в цилиндре, по крайней мере в q2, раз (фактор названный позднее "фактором Пфирша-Шлютера"). Реально это означало увеличение переноса в 10÷20 раз. Далее, Г.И. Будкером была обнаружена малая группа частиц, вообще уходящая из тора. Учет этих потерь был значительно сложнее, необходимо было решать кинетическое уравнение с искаженным максвелловским распределением. Через 15 лет по инициативе Г.И. Будкера это сделали его ученики Р.З. Сагдеев и А.А. Галеев. В результате возникла основа современной теории неоклассического переноса в токамаках (1967 г.).

Исторически, поводом для этой активности стали результаты измерений спектров нейтралов перезарядки на Т-З (М.П.Петров, 1965). В.С. Муховатов, попытавшийся объяснить

122

вертикальную анизотропию этих нейтралов, обратился к работе Будкера 1953 г. Далее в этот процесс оказались последовательно вовлечены: Л.А. Арцимович, Б.Б. Кадомцев и, наконец, сам Г.И. Будкер. Предстояло сравнить полученные коэффициенты с реально действующими в токамаках. Хотя до лазерных измерений не были точно известны градиенты температур и плотностей, первый вывод, который можно было уверенно сделать, учитывая кулоновский характер нагрева ионов в токамаках (Л.А. Арцимович и др. 1968) – основной поток тепла из шнура идет по каналу электронной теплопроводности. Это прямо противоречило неоклассике, где основной канал потерь ионный. С тех пор и по настоящий день проблема аномальных электронных потерь – центральная проблема термоизоляции плазмы в токамаках. Аномально высокой оказалась и диффузия плазмы, по-видимому, как следствие тех же процессов, которые определили аномальный электронный перенос. Время удержания частиц τр, впервые измеренное на установке ТМ-3 (Э.И. Кузнецов, 1968, Л.А. Арцимович и др. 1969), оказалось всего лишь в несколько раз выше τЕ. Ионные потери, однако, обнаружили неоклассический или почти неоклассический характер (Л.А. Арцимович, А.В. Глухов, М.П. Петров, 1970). Эта тенденция также достаточно устойчиво сохраняется в современных токамаках. Увеличение ионного переноса по сравнению с неоклассикой в 3÷5 раз рассматривается уже как серьезная аномалия. Максимальная ионная температура, вычисленная в предположении неоклассического переноса в режиме омического нагрева плазмы ("формула Арцимовича")

Тimax = (5,9±0,5)10-4 (IHTR2 n A-1/2)1/3; (I [A], HT [Э], R [см],n[см-3])

с высокой точностью описывает температуру ионов в токамаках с омическим нагревом.

Попытки построения модели аномального электронного переноса были менее удачны. Они продолжаются по настоящий день. Первый вариант был предложен Л.А. Арцимовичем. Соответствующее выражение для коэффициента электронной теплопроводности ("псевдоклассика Арцимовича", 1971)

123

представляло собой умноженное на 7 выражение для неоклассического коэффициента с "реальной" частотой столкновений, вычисленной из электропроводности плазмы. Это выражение имело относительно узкую область применения, так как не учитывало улучшения электронной термоизоляции с ростом ne. Более перспективными оказались построения модели на основе параллельного переноса тепла в слаборазрушенных магнитных полях (Б.Б. Кадомцев, О.П. Погуце "магнитный флаттер", 1978). Одним из популярных скейлингов для электронной теплопроводности впоследствии стал уже упомянутый скейлинг "Мережкина–Муховатова", (1981), где коэффициент температуропроводности

Ке=1020 T1/2 r 7/4 .

ne qRe R

Электронно-циклотронный нагрев плазмы с помощью гиротронов на Т-10 позволил выйти далеко за рамки параметров плазмы омического нагрева, подняв температуру электронов до 10 кэВ (В.В. Аликаев и др., 1988), сильно оторвав их от ионов, но даже и это пока еще не привело к полному пониманию физики электронного переноса.

В ходе этих опытов был однако обнаружен важный экспериментальный факт – оказалось, что результирующий профиль Те(r) почти не зависит от локализации электронноциклотронного нагрева внутри шнура, пока область локализации

(Б.Б. Кадомцев, 1981, ранее Б. Коппи,1980). Суть ее в том, что микронеустойчивости, существующие в плазме так формируют профиль Те(r), чтобы минимизировать перенос. Отклонение от "канонического" профиля вызывает нарастание неустойчивостей и увеличение переноса. Эта идея активно развивается Ю.Н. Днестровским с сотрудниками. Возможно, она приведет к успеху. Из других применений электронно-циклотронного нагрева на Т-10 следует отметить опыты по увеличению neкр (1990 г.) и успешные эксперименты по генерации токов увлечения ( 1991 г.).

Следующим по важности стал вопрос о переносе примесей в токамаке. Известно, что в неоклассической модели примеси

124

должны иметь тенденцию втягиваться в центр шнура, что исключает возможность работы токамака как реактора. Процесс концентрации примесей к оси шнура впервые наблюдался на Т-4 (В.А. Вершков, С.В. Мирнов, 1970). Впоследствии там же на Т-4 (1973) было показано, что развитие неустойчивостей препятствует накоплению примесей. Эти исследования были продолжены В.А. Вершковым на Т-10, где исследовались режимы как с накоплением примесей, так и с экранированием (А.А. Багдасаров и др. 1985). Практический вывод этих исследований – замена материала диафрагмы на графит вместо вольфрама и молибдена. Первый успешный эксперимент в этом направлении был выполнен на Т-4 (А.В. Воробьев и др. 1977), его продолжением стало создание полностью графитовой стенки токамака ТМГ (модернизация ТМ-3, 1980) под руководством А.М. Стефановского. Дальнейшим развитием этих работ стали опыты по боронизации стенок разрядной камеры (Т-11М, Т-3М, 1991). Это позволило снизить эффективный заряд плазмы до 1- 1,2. Природа срыва – традиционный предмет физических исследований на токамаках с 1962 г. после первых опытов на ТМ- 2. Две идеи Б.Б. Кадомцева внесли конструктивный вклад в эту деятельность. Во-первых, идея захвата винтовых "вакуумных пузырей", с границы шнура в его центр, т.е. процесс быстрого обмена центр-граница. Как было показано Б.Б. Кадомцевым и О.П. Погуце (1973), такой процесс энергетически выгоден, если шир мал, т.е. угол наклона силовых линий везде по сечению шнура одинаков, а q(a) равно целочисленному значению. Вовторых, идея "перезамыкания" областей с разным углом наклона магнитных силовых линий, с помощью которой удалось объяснить развитие внутреннего срыва при q(r) = 1 (Б.Б. Кадомцев, 1975).

Тщательные исследования магнитных возмущений границы

всрывах, выполненные на Т-11 (В.С. Власенков, В.М. Леонов, В.Г. Мережкин, В.С. Муховатов, 1974), действительно обнаружили развитие мощных винтовых возмущений в момент срыва, которые можно было интерпретировать как захват пузырей. Но, с другой стороны, такой захват не мог происходить

вусловиях значительного шира, характерного для магнитной конфигурации токамака. Противоречие устраняется, если учесть

125

результаты многоканальных измерений мягкого рентгеновского излучения в момент срыва из центра шнура (Т-4, С.В. Мирнов, И.Б. Семенов, 1976−1977). Обнаружилось, что большой срыв наступает только после глубочайшего разрушения ("перемешивания") центра. Этот процесс, очевидно, сопровождается уменьшением шира. Как правило, большому срыву предшествует серия малых предсрывов. Каждый из них представляет собой регулярную вспышку локальных винтовых возмущений вблизи целочисленных q у границы. Чаще всего q =2. Однако при каждом таком предсрыве в центре отчетливо заметна вспышка тороидального сателлита m=1. Вероятнее всего, именно он вдруг, в ходе одного из предсрывов, провоцирует внутренний срыв при q(r) =1, который влечет за собой распад центра, "перемешивание" и ликвидацию шира. Вслед за этим идет вторичная мощная вспышка граничного винтового возмущения m=2 и резкое охлаждение центра, которое может означать захват "вакуумного пузыря". Тем самым наблюдаемые факты складываются в согласованную версию неустойчивости срыва. Заметим, что, как было обнаружено недавно (1990 г.), практически по такой же схеме развивается большой срыв в установке JET (1991 г.). Роль шира центральных областей, как стабилизирующего фактора по отношению к срыву, отражена в теоретических работах Л.Е. Захарова (1980). Им было сформулировано необходимое условие устойчивости токового распределения в токамаке по отношению к винтовым неустойчивостям (1981)

q(0)<q(a)-1.

Неоднократно предпринимались попытки стабилизации срыва путем стабилизации винтовых возмущений, развивающихся на периферии в предсрыве. На токамаке ТО-1 с помощью специальных винтовых обмоток и обратных связей удавалось успешно стабилизировать возмущения m=2, n=1 (Л.И. Артеменков и др. 1978), препятствуя тем самым развитию срыва.

На Т-10 путем локального нагрева электронов гиротронами вблизи q(r)=2 (снаружи либо внутри резонансной магнитной поверхности) удавалось либо стабилизировать винтовые возмущения и, соответственно срыв, либо дестабилизировать

126

(В.В. Аликаев и др., 1986). Очевидно, что развитие этих методов может иметь большое будущее.

Во второй половине семидесятых годов 20 века значительное место в программе советских токамаков заняли инженерные исследования, в частности работы по технической сверхпроводимости (совместно с НИИЭФА). В результате их в 1978 г. был создан первый сверхпроводящий токамак Т-7 с обмоткой из NbTi, на котором удавалось устойчиво работать при поле Вт= 2,5 Тл. Развитием этих работ стало создание в 1988 г. Т-15 – сверхпроводящего токамака масштаба TFTR, с обмоткой из Nb3Sn. Вблизи Москвы в Троицке был создан токамак с сильным полем (ТСП, 1987), рассчитанный на магнитное поле до 12,8 Тл. Достижение термоядерных температур предполагается осуществить в нем, применив адиабатическое сжатие плазмы. Отметим, что первые опыты по адиабатическому сжатию плазмы, в которых наблюдался отрыв шнура от стенки, были проведены Д.П. Ивановым и В.Д. Кирилловым на малом токамаке масштаба ТМ-2 в 1960 г.

127

128