Plazma – metody wytwarzania i jej utrzymywania [*]

Spis treści

*   Pomiar temperatury

*   Wykaz metod grzania

*   Metody Iniekcyjne i kompresji Adiabatycznej

*   Utrzymywanie gorącej plazmy

*   Zjawisko pinch'u

*   Pułapki ...

*   Perspektywy dalszych osiągnięć

 

Pomiar temperatury

Z wytwarzaniem plazmy związany jest problem po­miaru wartości bardzo wysokich temperatur. Do po­miarów takich temperatur nie przydatne są oczywi­ście ani termometry cieczowe, ani gazowe. Nie można też stosować termometrów oporowych lub termoelek­trycznych. Specjalne sondy kalorymetryczne pozwa­lają wprawdzie mierzyć temperaturę rzędu kilku ty­sięcy kelwinów, ale ulegają szybkiemu zużyciu, a prócz tego zaburzają badany ośrodek. Dlatego do pomia­rów wysokich temperatur najbardziej przydatne są metody optyczne. Powyżej 1000 K powszechnie sto­sowany jest np. pirometr optyczny, którego działa­nie oparte jest na porównaniu promieniowania ba­danego obiektu z promieniowaniem włókien żarów­ki — wzorca. Za pomocą takiego przyrządu można np. określić temperaturę płomienia, która może sięgać ok. 2000 K. Do pomiarów jeszcze wyższych temperatur wyko­rzystuje się fakt, że gorąca plazma wysyła promienio­wanie o różnych długościach fal, od fal radiowych do krótkofalowego promieniowania nadfioletowego a nawet rentgenowskiego. Badania tego promienio­wania można przeprowadzić za pomocą spektrogra­fów i monochromatorów. Na podstawie pomiaru stosunku natężeń linii widmowych emitowanych przez jony tego samego pierwiastka (ale o róż­nych stopniach wzbudzenia) można np. ocenić tem­peraturę Te, nawet jeśli wynosi ona wiele milionów kelwinów. Do określenia temperatury Tj można na­tomiast wykorzystać zależność szerokości linii wid­mowych od ruchu jonów (tzw. dopplerowskie rozsze­rzenie linii).

Metody wytwarzania plazmy o bardzo wysokich temperaturach można podzielić na dwie zasadnicze kategorie. Do pierwszej należą metody polegające na wytworzeniu plazmy (lub wiązki cząstek) o wysokiej energii w specjalnych urządzeniach akceleracyjnych, a następnie — na iniekcji tej plazmy (lub cząstek) do wnętrza pułapki magnetycznej. Do drugiej kategorii zaliczają się metody, które polegają na wytworzeniu chłodnej plazmy od razu wewnątrz pułapki magne­tycznej, a następnie — na ogrzewaniu tej plazmy do bardzo wysokich temperatur. Można tu podać pew­ną analogię: metody pierwszej kategorii przypomi­nają napełnianie termosu gorącym płynem, a metody drugiej kategorii odpowiadają nagrzewaniu płynu wewnątrz zamkniętego kociołka. Klasyfikacja metod wytwarzania gorącej plazmy według miejsca jej po­wstawania jest jednak zbyt powierzchowna i dlatego konieczne jest rozważenie różnych procesów fizycz­nych, na których te metody się opierają. Poniżej po­damy bardziej szczegółowy opis niektórych metod wytwarzania gorącej plazmy i porównamy ich moż­liwości.

Powrót do początku

Wykaz metod grzania

Metoda grzania omowego

Jest to najprostsza metoda wytwarzania gorącej plaz­my polegająca na przepuszczeniu przez zjonizowany gaz bardzo silnych prądów elektrycznych, w wyniku czego następuje dalsza jonizacja gazu i wzrost jego temperatury. Wydzielanie ciepła wiąże się przy tym ze zderzeniami między nośnikami prądu (elektronami) i innymi cząstkami gazu. Ponieważ przy podwyższaniu temperatury opór plazmy szybko maleje (przeciwnie niż w przypadku zwykłych przewodników metalicz­nych), możliwości grzania omowego są ograniczone. Stosując omawianą metodę można osiągnąć tempera­tury ok. kilku keV (rzędu I07K), ale ze wzrostem temperatury wydajność tej metody maleje. Nie po­maga również zwiększanie natężenia przepuszczanych prądów, ponieważ w pewnych warunkach może to wywołać niestabilność plazmy.

Metoda grzania omowego jest jednak bardzo wy­godna i może być wykorzystana w różnych układach eksperymentalnych. Grzanie omowe można stosować w układach typu otwartego (patrz rozdział następny) wykorzystując zewnętrzne elektrody i przepuszczając przez plazmę impulsy prądu o natężeniu rzędu milio­nów A. Uzyskuje się wówczas plazmę o temperaturze ok. kilkuset eV (kilku milionów K) i koncentracji rzędu 1018 cząstek/cm3, ale o bardzo krótkim czasie trwania (rzędu 10"5 s), co spowodowane jest niestabil­nością sznura plazmowego.

Grzanie omowe stosuje się również w zamkniętych (toroidalnych) pułapkach magnetycznych, w których prądy w plazmie wytwarzane są metodą indukcyjną za pomocą odpowiednich transformatorów. Przykład toroidalnego układu eksperymentalnego, wyposażo­nego w transformator do grzania omowego, przedsta­wiono na rys. 5. Ze względu na swoją prostotę, me­toda grzania omowego stosowana jest w większości układów zamkniętych. Przy pomocy tej właśnie me­tody w urządzeniach typu tokamak udało się uzyskać plazmę o koncentracji 6 -1013 cząstek/cm3 i tempera- AScator turze T] k 700 eV (ok. 7 milionów K) i utrzymać ją przez stosunkowo długi czas (ok. 30 ms).

 

 

Metody grzania turbulencyjnego

Grzanie turbulencyjne występuje przy oddziaływaniu z plazmą wiązki elektronów, gdy natężenie tej wiązki przekracza pewną wartość krytyczną. Można je zreali­zować dwoma sposobami. Przy stosowaniu pierwsze­go sposobu najpierw wytwarza się gęstą, ale stosun­kowo zimną plazmę, wykorzystując inne metody (np. wstępną jonizację gazu resztkowego w komorze lub iniekcję plazmy z zewnątrz). Następnie przez umieszczoną w polu magnetycznym plazmę prze­puszcza się krótkie impulsy prądu o bardzo dużym natężeniu przykładając do elektrod impulsy wysokie­go napięcia. Przy pomocy takiej metody udało się w pułapkach typu zwierciadlanego otrzymać plazmę o koncentracji 2-1013 cząstek/cm3 i temperaturze Tj wynoszącej 3-5 keV (rzędu lO7 K). W pułapkach zamkniętych uzyskano omawianą metodą zbliżone wartości temperatury, ale mniejszą koncentrację plazmy.

Przy stosowaniu drugiego sposobu plazmę wytwa­rza od razu wiązka elektronowa przechodząca przez gaz niezjonizowany. Wymagane są wówczas mniejsze prądy, niż przy omawianej wyżej metodzie, ale im­pulsy znacznie dłuższe. Przy zastosowaniu omawia­nego sposobu w pułapce typu zwierciadlanego udało się uzyskać plazmę o koncentracji 10n-1012 czą­stek/cm3, temperaturze Tj ≈ 1 keV i bardzo wysokiej temperaturze Te ≈ 150 keV. Podobne wyniki (z wy­jątkiem tak wysokiej temperatury elektronowej) uzy­skano ostatnio także w pułapkach toroidalnych. Na­leży podkreślić, że procesy powodujące grzanie plazmy przy oddziaływaniu wiązka-plazma są bardzo skom­plikowane i nie mają jeszcze pełnej interpretacji teore­tycznej.

Metody grzania rezonansowego

Do wytwarzania gorącej plazmy w różnych pułapkach magnetycznych stosowane jest również grzanie rezo­nansowe, które występuje przy oddziaływaniu z plaz­mą silnych fal elektromagnetycznych o odpowiednio dobranej częstości. Ponieważ w polu magnetycznym naładowane cząstki plazmy (elektrony i jony) wyko­nują m.in. ruchy wirowe z częstością cyklotronową — fce oraz /ci, to dobierając odpowiednio częstość fali elektromagnetycznej / można wywołać elektronowy rezonans cyklotronowy (gdy / = /ce), lub jonowy re­zonans cyklotronowy (gdy/ = /cO; prowadzi to do wzbudzenia intensywnego ruchu cząstek kosztem energii fali. Dla przykładu — w polu o indukcji B = 5 T częstość cyklotronowa elektronów wynosi fce — 140 GHz, co odpowiada fali o długości 2 mm, a częstość cyklotronowa protonów wynosi fd — 78 MHz, co odpowiada fali o długości ok. 4 m.

Elektronowy rezonans cyklotronowy można uzy­skać stosując zewnętrzny generator mikrofalowy i doprowadzając falę elektromagnetyczną do plazmy przez odpowiednie falowody. Należy przy tym zauwa­żyć, że tłumienie fali elektromagnetycznej i przekazy­wanie energii plazmie może następować nie tylko w wyniku rezonansu cyklotronowego, ale również przy jednakowych prędkościach fazowych fali i czą­stek plazmy (występuje wtedy tzw. tłumienie Landaua), Metoda elektronowego rezonansu cyklotronowego może być stosowana zarówno w zamkniętych jak i otwartych pułapkach magnetycznych. W stellaratorach za pomocą tej metody otrzymano plazmę o kon­centracji 1010-1012 cząstek/cm3 i temperaturze Te ~ K 30 eV. W otwartej pułapce typu zwierciadlanego z dodatkowym polem stabilizacyjnym (eksperyment INTEREM) udało się uzyskać w ten sposób plazmę o koncentracji l O12 cząstek/cm3 i bardzo wysokiej temperaturze Te ≈ 100 keV.

Do wzbudzenia jonowego rezonansu cyklotrono­wego nie można wykorzystać falowodów ze względu na znaczną długość fali (rzędu kilku metrów), tak że fale elektromagnetyczne muszą być doprowadzane do plazmy innym sposobem. Stosuje się do tego celu układy specjalnych cewek (tzw. cewki Stixa), zasilane z silnych generatorów pracujących na częstości ra­diowej. Metoda jonowego rezonansu cyklotronowego jest także wykorzystywana zarówno w pułapkach zamkniętych jak i otwartych. Udało się za jej pomocą wytworzyć w Stellaratorze C plazmę o koncentracji 1012-1013 cząstek/cm3 i temperaturze Tj ≈550 eV. W eksperymentach z otwartymi pułapkami zwiercia­dlanymi przy zastosowaniu omawianej metody uzy­skano plazmę o koncentracji 1014 cząstek/cm3 i tem­peraturze T j ≈ 1,5 keV (przy absorpcji ok. 30% do­starczanej energii).

Do metod rezonansowych zalicza się również tzw. stochastyczne grzanie elektronów, które można zrea­lizować w następujący sposób. Do szczeliny w metalo­wej przegrodzie komory eksperymentalnej przykłada się napięcie o częstości rzędu kilku MHz. Elektrony, które powstają w wyniku jonizacji gazu w tej komorze, dostają się do obszaru wytwarzanego pola i uzyskują wówczas dodatkową energię. Osiągana temperatura elektronowa jest proporcjonalna do wielkości (fU)2'3, gdzie f—częstość stosowanego napięcia, U — jego amplituda. Wykorzystując powyższą metodę w pu­łapce typu stellarator uzyskano plazmę o koncentracji 10* cząstek/cm3 i temperaturze Te ≈ 300 eV.

 

 

Powrót do początku

Metody Iniekcyjne i Kompresji Adiabatycznej

Metody iniekcyjne

Do napełniania pułapek magnetycznych (zwłaszcza pułapek typu otwartego) bardzo często stosowane są metody infekcyjne, które polegają na wstrzeliwaniu do wnętrza pułapki strumienia gorącej plazmy, wiązki wysokoenergetycznych jonów lub szybkich atomów neutralnych.

Do iniekcji plazmy stosowane są różnego typu iniektory plazmowe (tzw. działa plazmowe). Najczęściej w tym celu wykorzystuje się iniektory współosiowe typu Marshalla. Schemat budowy takiego iniektora przedstawiono na rys. 6. Jest on wyposażony w dwie cylindryczne i współosiowe elektrody. Jego zasada działania jest następująca: najpierw do obszaru mię­dzy elektrodami wpuszcza się impulsowo określoną ilość gazu pod normalnym ciśnieniem (np. wodoru lub deuteru). Następnie elektrody iniektora przyłącza się do baterii naładowanych do wysokiego napięcia kondensatorów. Wyładowanie elektryczne, które rozwija się w obszarze międzyelektrodowym, powoduje jonizację wpuszczonego wcześniej gazu i utworzenie się warstwy plazmy, przez którą płynie prąd wyłado­wania. Pole magnetyczne, które towarzyszy przepły­wowi tego prądu, wywołuje przesuwanie i stopniowe przyspieszanie utworzonej warstwy plazmy w kierun­ku wylotu iniektora. W rezultacie z iniektora wyrzu­cany jest strumień wysokoenergetycznej plazmy lub oddzielne zgęstki plazmowe — tzw. plazmoidy.

Oprócz współosiowych iniektorów plazmowych, do wytwarzania strumieni gorącej plazmy stosuje się również inne typy iniektorów, np. bezelektrodowe iniektory indukcyjne oraz iniektory typu Halla. W iniektorach indukcyjnych plazmę wytwarza się przez szybkie rozładowanie baterii kondensatorów przez spiralne uzwojenie, które otacza stożkową komorę szklaną lub ceramiczną. W czasie przepływu prądu przez uzwojenie pojawia się szybkozmienne pole magnetyczne, które indukuje wirowe pole elek­tryczne, wywołujące z kolei jonizację gazu i powstanie plazmy. Oddziaływanie z zewnętrznym polem mag­netycznym prowadzi w rezultacie do przyspieszenia wytworzonej plazmy.

W iniektorach typu Halla wyładowanie plazmowe inicjowane jest w polu elektrycznym skrzyżowanym z kwazistacjonarnym polem magnetycznym, np. we współosiowych iniektorach Halla stosuje się podłużne pole elektryczne Ef oraz radialne pole magnetycz­ne Br.

Interesującą odmianą iniektora plazmowego jest tzw. działo prętowe RPI, które opracowano w Instytucie

 

 

Rys. 7. Schemat plazmowego działa prętowego RPI, opracowa­nego w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku. Ażurowa kon­strukcja elektrod ułatwia ruch cząstek naładowanych i umożliwia ogniskowanie strumienia plazmy wzdłuż osi układu

 

 

 

 

 

 

Badań Jądrowych w Świerku, Działo RPI ma rów­nież cylindryczne elektrody, ale — w odróżnieniu od zwykłych iniektorów współosiowych — zbudowane są one z dużej liczby cienkich prętów ułożonych współosiowo na obwodzie cylindrycznych pierścieni (rys. 7). W czasie wyładowań elektrycznych cząstki naładowane mogą poruszać się swobodnie między prętami elektrod i ulegać przyspieszeniu. Ponieważ powierzchnia czynna elektrod jest w tym wypadku mniejsza niż w iniektorze z elektrodami pełnymi, wy­twarzana plazma może zawierać mniej zanieczyszczeń pochodzących z powierzchni elektrod iniektora.

Omawiane wyżej iniektory mogą wytwarzać plazmoidy o koncentracji 1013-1015 cząstek/cm3, zależnie od typu iniektora i warunków jego pracy. Przy odpo­wiednim doborze warunków pracy iniektora wytwa­rzane plazmoidy mogą mieć bardzo duże prędkości rzędu 107-108 cm/s, a ich średnia energia kinetyczna może osiągać wartość kilku keV. Ze względu na to, że znaczna część tej energii związana jest z ruchem uporządkowanym, a nie z chaotycznym ruchem ciepl­nym cząstek, temperatura wytwarzanej plazmy nie przekracza kilkuset eV (tj. kilku milionów kalwinów).

Przy iniekcji plazmy do wnętrza pułapki magne­tycznej wstrzeliwana plazma musi pokonać barierę pola magnetycznego, co wpływa na obniżenie jej kon­centracji i prędkości, a w niektórych wypadkach — także temperatury. Efekty te zależą od konfiguracji i natężenia pola magnetycznego pułapki. Stosując iniekcję plazmy w pułapkach otwartych typu Probkotron uzyskano plazmę o koncentracji lO9 cząstek/cm3 i temperaturze Tj x 5 keV. W pułapkach typu stellarator za pomocą iniektorów plazmowych uzyskano plazmę o koncentracji 109-1011 cząstek/cm3 i tempera­turze jonowej 30-100 eV.

 

Iniekcja wysokoenergetycznych jonów

Gorącą plazmę można również wytwarzać przez iniekcję do pułapek magnetycznych wiązek wysoko­energetycznych jonów, które uzyskuje się za pomocą akceleratorów cząstek naładowanych. Bardzo dobre rezultaty daje przy tym metoda polegająca na Wstrze­liwaniu jonów cząsteczkowych DJ, które wewnątrz pułapki ulegają dysocjacji na neutralne atomy deuteru i jony atomowe D + . Neutralne atomy uciekają wów­czas z pułapki, unosząc pewną część energii i pędu, a jony D+ są zatrzymywane w polu magnetycznym, powodując jonizację (tzw. „wypalanie") resztek gazu w komorze eksperymentalnej.

Omówiona metoda stosowana była w amerykań­skich urządzeniach DCX, których zasadę budowy przedstawiono na rys. 8 W urządzeniach tych wstępna dysocjacja jonów tj następowała w łuku elektrycznym, który palił się między dwiema elektrodami umiesz­czonymi w pułapce magnetycznej typu zwierciadlanego. Wysokoenergetyczne jony D+ zderzając się z cząsteczkami pozostałego w komorze gazu wytwa­rzały obłok gorącej plazmy. Energii wstrzeliwanych jonów odpowiadała temperatura rzędu 6 miliardów K. Tak wysoką temperaturę uzyskiwała jednak tylko część cząstek plazmy; pozostałe cząstki miały tempe­raturę znacznie niższą.

Iniekcja jonów była również stosowana w jednym z największych urządzeń radzieckich — w układzie OGRA. Komora tego układu miała średnicę ok. 2 m i długość ok. 20 m. W odróżnieniu od układów DCX, w układzie tym nie stosowano pomocniczego wyłado­wania łukowego, a dysocjacja jonów molekularnych następowała na skutek zderzeń tych jonów z neutral­nymi cząsteczkami pozostałego w komorze gazu. Podobnie jak w urządzeniach DCX w urządzeniu OGRA uzyskiwano temperatury setek milionów K.

 

Iniekcja wysokoenergetycznych atomów neutralnych

Plazma o bardzo wysokiej temperaturze może być wytwarzana także za pomocą intensywnych wiązek prędkich atomów neutralnych. Wiązki takie można uzyskać przepuszczając wiązkę wysokoenergetycz­nych jonów przez komorę zawierającą znaczną liczbę cząsteczek gazu. Część jonów wychwytuje elektrony i biegnie dalej jako prędkie atomy neutralne. Uzyska­ną w ten sposób wiązkę wysokoenergetycznych ato­mów neutralnych można następnie wprowadzić do pułapki magnetycznej, gdzie przy odpowiednio do­branych warunkach, atomy te ulegają ponownej joni­zacji tworząc plazmę o odpowiednio wysokiej tem­peraturze.

Metoda ta wykorzystana została w amerykańskich urządzeniach Baseball, w angielskim układzie Phoenix, a także w radzieckim urządzeniu OGRA II. W urządzeniach tych uzyskano plazmę o koncentracji 108-109 cząstek/cm3 i maksymalnej temperaturze tj k 20 keV (tj. 200 min K).

Metody kompresji adiabatycznej

W celu podwyższenia temperatury i koncentracji plazmy, która została wytworzona w procesie joniza­cji wstępnej lub iniekcji i znajduje się wewnątrz pu­łapki magnetycznej, można zastosować metodę kom­presji adiabatycznej. Polega ona na ściśnięciu plazmy w wyniku przyłożenia dodatkowego rosnącego pola magnetycznego. Jeżeli zmiany pola i objętości plazmy następują w sposób adiabatyczny, następuje wówczas wzrost gęstości i temperatury plazmy .

Metoda kompresji adiabatycznej stosowana była dotychczas głównie w układach typu otwartego, np. w pułapkach zwierciadlanych uzyskano tą metodą plazmę o koncentracji 1011 cząstek/cm3 i temperaturze Te ≈10 keV. Ostatnio kompresja adiabatyczna stoso­wana jest coraz częściej także w pułapkach typu zam­kniętego, np. w amerykańskim układzie toroidalnym ATC przy pomocy tej metody udało się uzyskać z plaz­my o koncentracji 4 -101S cząstek/cm3 i temperaturach Te ≈ l keV i Tj ≈ 200 eV — plazmę o koncentracji 2-1014 cząstek/cm3 oraz temperaturach

T≈ 2 keV i Tj ≈ 600 eV.

 

Powrót do początku

Utrzymywanie gorącej plazmy

Plazmę jako zbiór cząstek naładowanych najłatwiej jest utrzymać w określonym obszarze przez otoczenie jej polem magnetycznym o odpowiedniej konfiguracji. Silne pola magnetyczne potrzebne do tego celu wy­twarza się za pomocą elektrycznych prądów przepusz­czanych przez specjalne uzwojenie zewnętrzne lub za pomocą prądów płynących przez badaną plazmę. Możliwe jest również połączenie obu tych sposobów

 

Powrót do początku

Zjawisko pinchu

Rozpatrzmy najpierw utrzymywanie plazmy za po­mocą pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd elektryczny, który przepływa wzdłuż osi cylindrycznej kolumny plazmowej. Pole magnetyczne, które towa­rzyszy przepływowi tego prądu, ma wówczas kieru­nek azymutalny. Oddziaływanie takiego pola z po­osiowym prądem elektrycznym powoduje radialne ściśnięcie plazmy w cienki sznur plazmowy (rys. 13). Omawiane zjawisko nazywa się pinchem liniowym lub Z-pinchem (ang. pinch 'ściskać'). Wykorzystując zjawisko Z-pinchu zbudowano wiele urządzeń do ba­dań plazmowych.

Ściśnięcie sznura plazmowego może być również wywołane przez szybko narastające zewnętrzne pole magnetyczne Bz. Takie pole można wytworzyć drogą rozładowania dużej baterii kondensatorów przez od­powiednio masywną cewkę. Natężenie prądu elek­trycznego w takiej cewce może osiągnąć miliony amperów. W plazmie indukowane są wówczas silne prą­dy elektryczne h o kierunku azymutalnym, które w oddziaływaniu z zewnętrznym polem Bz wywołują ściśnięcie plazmy ku osi symetrii układu (rys. 14). Ze względu na kierunek prądów omawiany proces nazywa się theta-pinchem (θ-pinch). Wykorzystując zjawisko θ-pinchu zbudowano wiele urządzeń ba­dawczych, m.in. amerykańskie układy Scylla oraz angielski układ Thetatron. Zdjęcie ilustrujące ściska­nie plazmy w takim układzie przedstawia rys. 14b. W układach z θ-pinchem można wytwarzać plazmę o koncentracji 1016-1017 cząstek/cm3 i stosunkowo wy­sokich temperaturach Te ≈ 0,3-1,5 keV i 7≈4keV, ale czas jej utrzymywania jest bardzo krótki — rzędu lO ms.

Zasadniczą wadą omówionych wyżej układów typu Z-pinch lub θ-pinch jest krótki czas utrzymywania plazmy spowodowany szybką ucieczką cząstek naładowanych przez oba końce komory eksperymentalnej. Aby wyeliminować te straty w ostatnich latach pod­jęto badania θ-pinchu toroidalnego w układach zamkniętych w kształcie pierścienia (rys. 15). W zwykłej komorze toroidalnej na plazmę działają dodatkowe siły radialne, gdyż linie sił pola magnetycznego mają większą krzywiznę przy wewnętrznej stronie komory. Siły te dążą do przesunięcia sznura plazmy w stronę zewnętrznej ścianki torusa. Ich działanie można wy­eliminować stosując specjalną konfigurację sznura plazmowego, w której wewnętrzna powierzchnia plaz­mowego torusa jest odpowiednio „pofałdowana". Siły naruszające stabilność można również skompen­sować w układzie toroidalnym, w którym indukowany jest dostatecznie silny prąd Zr. Pole magnetyczne po­chodzące od tego prądu nakłada się wtedy na zew­nętrzne pole magnetyczne i daje pole wypadkowe, którego linie sił owijają po linii śrubowej sznur plaz­mowy. Wyładowania tego typu noszą nazwę „screw--pinch". Największe urządzenie do badań 0-pinchu toroidalnego stanowi obecnie układ Scyllac (USA), w którym duża średnica toroidalnej komory próżnio­wej wynosi 4 m, a do wytwarzania pola magnetycz­nego wykorzystana jest bateria kondensatorów o energii 15 MJ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Powrót do początku

Pułapki ...

Pułapki magnetyczne typy otwartego

Do utrzymywania gorącej plazmy w pożądanym ob­szarze stosuje się również układy z kwazistacjonarnymi polami magnetycznymi — tzw. pułapki magne­tyczne. Najprostszymi pułapkami magnetycznymi są pułapki zwierciadlane (ang. mirror machines; rys. 16). W urządzeniach tych stosuje się uzwojenia zewnętrzne wytwarzające osiowe pole magnetyczne słabsze w środkowej części komory, a silniejsze na obu jej koń­cach. Zagęszczające się na końcach komory linie sił pola magnetycznego tworzą wówczas tzw. zwierciadła magnetyczne, które odbijają część uciekających z pla­zmy cząstek z powrotem do wnętrza komory. Cząstki, które mają zbyt dużą składową prędkość wzdłuż osi komory, uciekają z układu.

W prostych pułapkach zwierciadlanych nie udało się jednak utrzymać plazmy o dużej gęstości, np. w największym tego typu układzie Ogra I (Rojsa) uzyskano plazmę o koncentracji n ≈ l O8 cząstek/cm3 i czasie utrzymania r ≈ 0,3 ms, a w układzie DCX II.(USA) plazmę o parametrach n ≈ 8-10* cząstek/cm3 oraz t ≈ 30 ms. Inną wadą układów z pułapkami zwierciadlanymi było występowanie niestabilności magnetohydrodynamicznych. Niestabilności te można jednak wyeliminować przez zastosowanie pułapek typu „minimum-B", w których pole magnetyczne wzrasta we wszystkich kierunkach od środka układu, np. pułapka typu „karo" (ang. cusp geometry; rys. 17). Ze względu na duże straty cząstek czas utrzymywania plazmy w pułapkach karo jest krotki — wynosi zwy­kle kilkadziesiąt ms. W układach tego typu można jednak metodą iniekcji wytworzyć plazmę o koncen­tracji 1013-1014 cząstek/cm3, co w rezultacie daje po­równywalne z pułapkami zwierciadlanymi wartości iloczynu n • t, Pułapkami otwartymi typu minimum-B są również pułapki zwierciadlane z prętami stabiliza­cyjnymi (tzw. pułapki typu Joffe, rys. 18). Zbudowano szereg urządzeń eksperymentalnych tego typu, z któ­rych najbardziej znane są radzieckie Probkotrony. Osiągnięto w nich koncentrację plazmy rzędu 5-109 cząstek/cm3, temperaturę T j ≈ 4 keV oraz czas utrzy­mywania plazmy r ≈ 10 ms, a więc znacznie dłuższy niż w układach typu karo. Pułapką tego typu był radziecki układ OGRA II .

 

 

Zmniejszając tylko liczbę prętów do 4 i łącząc od­powiednio ich końce, zbudowano pułapki minimum-B z uzwojeniami w kształcie szwu na piłce tenisowej. Pułapki takie zastosowane są w układach eksperymen­talnych Baseball i Alice (USA), Phoenix (Anglia) oraz DECA II (Francja). W układach tego typu, stosując iniekcję wysokoenergetycznych cząstek neutralnych, uzyskano plazmę o koncentracji 2-108 cząstek/cm3 i czasie utrzymania 50 ms (Alice), a przy wyko­rzystaniu iniekcji strumieni plazmowych — plazmę o koncentracji 1013-1014 cząstek/cm3, ale o krótszym czasie utrzymania 50 us (DECA II).

Omówione wyżej pułapki z minimum-B mają jed­nak istotną wadę; między równoległymi uzwojeniami stabilizacyjnymi występują liniowe szczeliny, przez które ucieka część cząstek plazmy. Wady tej pozbawiona jest pułapka typu SM (Spherical Muliipole), którą opracowano w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku. Pułapkę typu SM można zrealizować rozmieszczając symetrycznie na powierzchni kulistej komory próżniowej odpowiednio skierowane dipole magnetyczne, a w praktyce — silne elektromagnesy. Rozkład linii sił pola magnetycznego w takiej pułapce jest pokazany na ilustracji 51 (tabl. 13). Jak wynika z rozważań topologicznych i modelowych, w pułapce typu SM nie ma liniowych szczelin ucieczki plazmy, występuje natomiast pewna liczba wąskich stożków ucieczki. Przy odpowiednim doborze natężeń skła­dowych pól magnetycznych wszystkim stożkom ucie­czki w takiej pułapce może jednak odpowiadać kąt bryłowy mniejszy niż w innych pułapkach mini-murn-B. W przeprowadzonych dotychczas ekspery­mentach z pułapką SM uzyskano czas utrzymywania plazmy w przybliżeniu 3-krotnie dłuższy niż w kon­wencjonalnej pułapce typu karo. Prowadzi się obec­nie badania w celu uzyskania jeszcze lepszych para­metrów plazmy, np. przez wykorzystanie mieszanych pól magnetycznych — tzw. konfiguracji hybrydo­wych, oraz stosowanie różnych metod wytwarzania.

Pułapki magnetyczne typu zamkniętego

W ostatnich latach szczególnie intensywnie prowa­dzone były badania nad pułapkami magnetycznymi typu zamkniętego, których typowymi przykładami są układ toroidalny przedstawiony na rys. 19 oraz an­gielski układ ZETA.

Wadą prostych układów toroidalnych jest występo­wanie radialnych nie skompensowanych gradientów pola magnetycznego, które wywołują przemieszczanie cząstek naładowanych w poprzek linii sił pola ogra­niczającego (ruchy dryftowe) i prowadzą do niestabil­ności plazmy. Ruchy dryftowe można ograniczyć przez odpowiednie skręcenie linii sił pola magnetycznego, np. przez nadanie komorze kształtu ósemki lub przez zastosowanie skręconych uzwojeń ułożonych na ob­wodzie komory toroidalnej. Koncepcję tę wykorzysta­no budując amerykańskie układy toroidalne, które otrzymały nazwę stellaratorów (rys. 20), szereg urzą­dzeń w Anglii, we Francji i NRF, a także radziecki stellarator Uragan.

 

 

Innym rodzajem pułapek zamkniętych są układy toroidalne typu tokamak, których zasadę budowy ilustruje rys, 22. W odróżnieniu od omówionych wyżej prostych układów toroidalnych (typu ZETA), w układach typu tokamak pole stabi­lizujące Bt jest znacznie silniejsze od pola Bf.

Wielką zaletą omówionych wyżej pułapek toroidal­nych jest brak możliwości ucieczki cząstek nałado­wanych wzdłuż linii sił pola magnetycznego. W pułap­kach tego typu, oprócz zwykłej dyfuzji cząstek spo­wodowanej zderzeniami binarnymi (dwucząstkowymi), występuje jednak dyfuzja anomalna, która po­woduje znaczne straty cząstek i zmniejsza czas życia plazmy. W ostatnich latach udowodniono jednak, że można stworzyć warunki, w których uzyskuje się znacznie dłuższy czas życia plazmy. W eksperymen­tach przeprowadzonych w stellaratorze Wendelstein w Garching (Niemcy) otrzymano czas utrzymania τ ≈100 τ B — (gdzie τ B — czas życia plazmy obliczo­ny teoretycznie), a w urządzeniach tokamak zbudo­wanych w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie ut­rzymano plazmę o koncentracji (3-6) • l O13 cząstek/cm3, temperaturach Te ≈ 1000 eV (12 min K) i Tj ≈ 700 eV (8 min K) przez czas τ  = 30 τ B (ok. 70 ms).

W Moskwie zbudowano bardzo wiele układów typu tokamak, z których największy obecnie jest układ T-10. Duży promień toroidalnej komory tego układu wynosi 1,5 m, maksymalne pole magnety­czne Bz = 5 T, a prąd wyładowania Imax = 500 kA. Parametry plazmy otrzymywanej w tokamakach są tak dobre, że nawet dla oszczędności czasu i środków w Princeton (USA) przebudowano na tokamak naj­większy stellarator amerykański — Model C. Podjęta została również budowa nowych tokamaków w USA, Anglii, Francji, Niemczech oraz w Japonii. Część tych układów jest obecnie budowana w ramach współpracy międzynarodowej.

Równocześnie z pracami nad ulepszeniem pułapek toroidalnych wzrosło także zainteresowanie innymi pułapkami typu zamkniętego. Badania różnych ukła­dów zamkniętych wykazały jednak, że spełnienie wa­runków minimum-B jest topologicznie niemożliwe. W związku z tym zwrócono uwagę na możliwość

 

 

 

 

 

 

zapewnienia „średniego" minimum-B wzdłuż określo­nych torów ruchu cząstek plazmy (czyli tzw. average minimum-B). Spełnienie warunku average mini­mum-B można osiągnąć nie tylko w stellaratorach i tokamakach, ale również w pułapkach typu Levitron lub spherator, w których wewnątrz toroidalnej (lub elipsoidalnej) komory umieszczone jest dodatko­we pierścieniowe uzwojenie z odpowiednio silnym prądem. Pole magnetyczne Bφ pochodzące od tego prądu nakłada się na pole toroidalne BZ, wywołując „skręcenie" linii sił pola wypadkowego. W rezultacie plazma utrzymywana jest wokół pierścieniowego uzwojenia wewnętrznego (rys. 21). Inną odmianę pu­łapek zamkniętych, spełniających warunek average minimum-B, stanowią pułapki toroidalne quadrupolowe lub oktupolowe, w których wewnątrz toroidalnej komory umieszcza się odpowiednio 2 lub 4 pierścienie z prądem (rys. 23). W pułapkach tego typu plazma zajmuje obszar wokół i pomiędzy przewodzącymi pierścieniami, które zapewniają najlepszą stabilność magnetohydrodynamiczną.

Porównując różne pułapki typu zamkniętego można stwierdzić, że największy postęp w technice otrzymy­wania i utrzymywania gorącej plazmy został dotych­czas osiągnięty w urządzeniach tokamak, dlatego też wysiłek wielu ośrodków badawczych skierowany jest obecnie na budowę i badanie dużych układów typu tokamak. Równocześnie prowadzi się badania w różnych innych kierunkach.

 

Powrót do początku

 

 

Perspektywy dalszych osiągnięć

 

Dotychczasowe osiągnięcia w dziedzinie badań ter­mojądrowych ujmuje wykres, na którym podane są podstawowe parametry wytwarzanej plazmy: jej temperatura, gęstość oraz czas utrzymywania (rys. 24). Wykres umożliwia porównanie wyników, które udało się osiągnąć w różnych układach eksperymentalnych przy wykorzystaniu wyżej wymienionych metod wy­twarzania i nagrzewania plazmy. Na szczególną uwa­gę zasługują rekordowe wartości iloczynu koncentra­cji i czasu utrzymania plazmy (nt ≈ 1013 cm-3 *s), które osiągnięto w ostatnich latach w niektórych urządzeniach typu plasma focus oraz w eksperymen­tach z laserem.

Należy przy tym zauważyć, że nie ma zasadniczych trudności z wytworzeniem jonów o jeszcze większych energiach i uzyskaniem jeszcze wyższych temperatur. Poważne trudności związane są natomiast z utrzymy­waniem plazmy w izolacji w tak wysokich tempera­turach i dlatego ciągle poszukuje się nowych bardziej efektywnych metod.

Potrzeba rozwoju badań termojądrowych zintensy­fikowała postęp w technice i technologii. W dziedzi­nie techniki wysokiej próżni zbudowano np. układy pompujące o próżni granicznej rzędu 10~7 Pa i wy­dajności wielu tysięcy l/s oraz opanowano technolo­gię wysokopróżniowych materiałów konstrukcyjnych, potrzebnych do budowy przyszłego reaktora termoją­drowego. Bardzo duży postęp nastąpił także w dzie­dzinie budowy elektromagnesów, zwłaszcza nadprze­wodzących, potrzebnych do utrzymywania gorącej plazmy. Wiele wysiłku włożono również w rozwój techniki wysokich napięć.

Zbudowano generatory udarowe, zdolne do kumu­lowania energii do kilkunastu milionów dżuli i wy­twarzania impulsów prądowych o amplitudzie do kil­ku milionów amperów.

W chwili obecnej istnieje już wiele wstępnych pro­jektów technicznych reaktorów termojądrowych o różnych zasadach działania. Projekty te opierają się zwykle na założeniu, że w przyszłym reaktorze termojądrowym komora próżniowa, która zawierać będzie gorącą plazmę, otoczona zostanie grubą war­stwą moderatora neutronów. Badania nad różnego typu materiałami wykazały, że ścianki takiej komory mogą być wykonane z niobu i molibdenu lub niobu i wanadu, a moderator — z czystego litu, ze stopu lit-beryl lub z eutektycznego związku (LiF)2Be]F2. Umieszczone na zewnątrz moderatora uzwojenia elektromagnesów mogą być natomiast wykonane z materiałów nadprzewodzących pracujących w od­powiednio niskich temperaturach. Poza tym, przyszły reaktor, termojądrowy musi mieć oczywiście odpo­wiednią konstrukcję wspierającą i specjalne osłony biologiczne.

 

Z analizy różnych możliwych konfiguracji wynika, że dla przyszłego reaktora termojądrowego korzystna byłaby konfiguracja typu tokamak (lub stellarator), o ile uda się uzyskać odpowiednio długi czas utrzy­mywania plazmy i zwiększyć osiągane wartości ilo­czynu nτ. Obliczenia wykazały również możliwość wykorzystania konfiguracji typu otwartego (np. pu­łapek zwierciadlanych), pod warunkiem, że uda się opracować odpowiednio wydajny system iniekcyjny oraz ograniczyć straty cząstek naładowanych. Istnieją także projekty impulsowych reaktorów termojądrowych opartych na wykorzystaniu metod lasero­wych.

Wszystkie przeprowadzone dotychczas obliczenia techniczne wskazują na to, że przyszłe reaktory ter­mojądrowe będą prawdopodobnie miały stosunkowo duże rozmiary (promień samej komory próżniowej — rzędu kilku do kilkunastu metrów). Moc tych reak­torów będzie prawdopodobnie osiągać wartości od kilku do kilkunastu gigawatów.

Można śmiało powiedzieć, że ludzkość jest już bar­dzo blisko zdobycia nowego niewyczerpalnego źródła energii. Na drodze do tego celu piętrzą się jednak jeszcze poważne trudności, tak że nie sposób dokład­nie określić termin uruchomienia pierwszego reak­tora termojądrowego.

 

Powrót do początku

Ostatnia modyfikacja: poniedziałek, 2 kwietnia 2001