Цифровой журнал «Компьютерра» № 64

Физика плазмы — наука, построенная на основе классической электродинамики: все исходные уравнения известны, но решения удаётся найти только в некоторых частных случаях. Закон движения каждой частицы в плазме известен. Но как только частиц становится много и они начинают взаимодействовать — получается совсем другая задача. Уравнения, рассчитывающие их движение, не способен решить ни один суперкомпьютер мира. Рассчитать движение одной частицы можно, а когда их 10²³, то и уравнений вам надо решить столько же. Поэтому многие явления мы до конца не понимаем и вынуждены применять феноменологию. Это значит, что мы сначала наблюдаем явление, а уже потом пишем уравнения и анализируем, а не наоборот. Так можно всё объяснить, но мало что предсказать. Физику плазмы можно сравнить с теорией турбулентности. Плазма обычно турбулентна, а её турбулентность ещё сложнее, чем в жидкости. Дело в том, что плазма состоит из электронной и ионной компонент, которые сложным образом взаимодействуют между собой. Так что вторая проблема в том, что объект нашего изучения оказался слишком сложным.

Ещё одна проблема — это размеры экспериментальных установок. Программа токамаков затормозилась из-за того, что они стали очень большими (и, как следствие, дорогими). JET с конца восьмидесятых годов остаётся самым большим действующим токамаком, а следующий шаг — ITER, который будет стоить 16 млрд. евро. В этом смысле больше повезло альтернативным системам — они продолжали оставаться маленькими и поэтому быстрее эволюционировали. Открытые ловушки имеют шанс догнать токамаки, несмотря на то что людей, которые занимаются токамаками, намного больше, чем нас. Просто мы имеем возможность быстрее менять установки. Что касается токамаков, у них тоже есть «мобильное» направление — это сферические системы, которые быстро развиваются за счёт малого размера. Стеллараторы почти догнали токамаки по параметрам, но затормозились по той же причине: стали слишком большими.

- Как устроены открытые ловушки?

- Любое магнитное удержание основано на том, что заряженные частицы в магнитном поле движутся по спирали из-за силы Лоренца, которая их закручивает. Ось спирали направлена вдоль силовой линии, и если мы хотим, чтобы частица оставалась в магнитном поле, самый простой способ — это сделать замкнутую магнитную конфигурацию, тогда частица просто будет бегать по кругу. На таком принципе работают тороидальные ловушки — токамаки и стеллараторы.

Открытые ловушки используют другие принципы. В магнитном поле можно сделать магнитную пробку, то есть усилить его в определённом месте. Тогда спираль, по которой движется частица, сожмётся, как пружинка. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее она сжимается, и в какой-то момент частица отразится — полетит в обратную сторону. Частицы между двумя магнитными пробками могут удерживаться в магнитном поле. Этот принцип называется адиабатическим удержанием, а соответствующие ловушки — зеркальными, или пробкотронами.

Исторически первыми были изобретены ловушки на адиабатическом принципе удержания. Однако оказалось, что работают они плохо. Дело в том, что удерживаются не все частицы, а только те, у которых спираль траектории достаточно крутая. Если же частицы между собой сталкиваются, направление их скорости меняется и рано или поздно они покидают ловушку. Кроме того, оказалось, что плазма всё время «гудит» из-за развития разных неустойчивостей. Это «гудение» тоже рассеивает частицы, причём намного эффективнее, чем просто столкновения. Зеркальные ловушки работали хуже, чем токамаки сравнимого размера, и их закрыли в семидесятых годах. Остались они только у нас и в Японии. Почему? Потому что это уже не простые зеркальные ловушки, а установки на новых принципах. Например, действующая в нашем институте установка ГДЛ (Газодинамическая ловушка) основана на ограничении потока газа через отверстие.

_{Газодинамическая ловушка}

В области пробки силовые линии магнитного поля, вдоль которых частицы вылетают из ловушки, сгущаются. Это значит, что если мы сделаем очень сильную магнитную пробку, то плазма будет вытекать из основной ёмкости через очень маленькую дырочку. Тогда даже если частицы сильно рассеиваются внутри ловушки, их поток будет ограничен. Через сопло может вытечь только определённое количество газа, поскольку в самом узком месте он течёт со скоростью звука. Однако в такой схеме расчётные продольные потери гораздо больше, чем при классическом адиабатическом удержании. Поток плазмы растёт при увеличении рассеяния частиц до тех пор, пока он не будет ограничен «вытеканием через маленькую дырочку». Это удержание по принципу «хуже быть не может». Если рассчитать, какой должна быть длина ловушки, чтобы на таком принципе удержания сделать термоядерную электростанцию, то получится что-то огромное. Поэтому исходно ГДЛ была ориентирована не на энергетику, а на материаловедение, как прообраз источника нейтронов.