Взаимодействие водородной плазмы с нейтральным газом и примесями

В периферийной зоне плазменного шнура формируется область, содержащая как ионную, так и нейтральную компоненту топлива и примесных частиц со значительными градиентами концентрации и температуры (рис. 2.3). В этой области идут конкурирующие процессы ионизации, рекомбинации и перезарядки.

Примесные атомы и ионы оказывают очень сильное влияние на поведение плазмы. Во-первых, резко возрастают излучательные потери, что снижает температуру плазмы. Во-вторых, из-за ограничений, накладываемых на полное давление плазмы, падают концентрация ионов топлива и, следовательно, плотность энерговыделения. В-третьих, изменяется профиль тока в плазменном шнуре. Примеси с малым Z в периферийной зоне сужают токовый канал и приводят к неустойчивости тока, а тяжелые примеси охлаждают плазму в центре шнура. В-четвертых, меняются характер и скорость перезарядки ионов на нейтральных атомах. Примесные ионы влияют также на эффективность нагрева плазмы. Рассмотрим некоторые из этих вопросов более подробно.

С примесями связано три вида излучательных потерь, определяемых тормозным и рекомбинационным механизмами и излучением возбужденных ионов. Тормозное излучение электронов при взаимодействии с иона-Даже при сравнительно небольших Z интенсивность излучения примесного иона на несколько порядков выше, чем протона. Наличие в плазме примесных ионов, резко увеличивая излучательные потери, приводит к необходимости дополнительного нагрева плазмы до более высоких температур (рис. 2.4). При летальной концентрации примесей само-поддерживающаяся термоядерная реакция вообще невозможна независимо от начальной температуры плазмы. К примеру, для молибдена и вольфрама при температуре плазмы 10 кэВ она составляет 0,6 и 0,2% соответственно. Для сравнения отметим, что в современных токамаках, в которых тепловые нагрузки и поток частиц, бомбардирующих стенку, несравненно меньше, чем в будущих реакторах, концентрация легких (3 Z 8) примесей превышает 1 — 2%, а тяжелых 0,1 — 0,2%.

Представление о допустимых концентрациях примесей для токамака с дополнительным нагревом плазмы пучком быстрых дейтронов дают кривые, приведенные на рис. 2.5. Значению Q = 1 соответствует реактор, в котором генерируется термоядерная мощность, равная затрачиваемой на нагрев плазмы.

Другая группа явлений, происходящих в высокотемпературной плазме, связана с перезарядкой ионов на нейтральных атомах. Если холодный атом из пристеночной области влетает в зону плазмы, то в результате перезарядки он может передать свой электрон быстрому иону водорода. Последний превратится в нейтральный атом, унося на стенки всю свою кинетическую энергию (3/2) кТ и тем самым охлаждая плазму. Уносимая энергия пропорциональна концентрации нейтрального газа в пристеночной области. Для чистой протиевой плазмы, которую окружает нейтральный протий, потери энергии в результате перезарядки сопоставимы с потерями за счет тормозного излучения, если нейтральный газ находится при давлении порядка 1*10⁵ Па. Отметим, кстати, что плазма термоядерных параметров для нейтрального газа из-за малости то ведет себя как идеальный вакуумный насос, полностью поглощая падающие на ее поверхность частицы.

Особо важную роль перезарядка на нейтральных атомах играет в системах с инжекцией быстрых ионов или быстрых нейтральных атомов, используемых для создания и накопления плазмы в магнитных ловушках. где т — полное время жизни иона с учетом всех механизмов потерь энергии; а — сечение перезарядки на нейтральном газе. Допустимое эквивалентное давление нейтрального газа в системах рассматриваемого типа близко к 1*10⁷ Па. Поскольку из инжекторов быстрых частиц наряду с ионным или атомарным пучком в ловушку вводится значительный поток газа и, кроме того, вводимые пучки неизбежно термализуются, для достижения такого давления необходимы средства откачки с очень высокой быстротой действия — порядка 10³ — 10^s м³/с. Так, в известной советской ловушке с магнитными пробками Огре-1 допустимое давление нейтрального газа не превышало 4 * 10⁷ Па при токе инжекции молекулярных ионов водорода 100 мА; требуемая быстрота откачки камеры составляла 7 • 10³ м³/с.

Интенсивность излучения при рекомбинации, в которой участвуют примесный ион и свободные электроны плазмы, пропорциональна. Излучение, определяемое квантовыми переходами между возбужденными состояниями иона, преобладает при низкой температуре. Полная энергия излучательных потерь, обусловленных примесными ионами, пропорциональна их концентрации л_пр и концентрации электронов в плазме п_е; плотность этого излучения

Захват ионов начинался с диссоциации ионов водорода на нейтральных атомах водорода. Рост концентрации плазмы до значений, ограниченных уходом через пробки, и откачка возникающего при нейтрализации ионного пучка водорода были возможны при условии, что ток инжекции превосходил некоторое критическое значение (ток перевала) . При увеличении тока инжекции до тока перевала концентрация плазмы росла, а нейтрального водорода падала. За точкой перевала концентрация плазмы начинала превышать концентрацию водорода.

В этом случае накоплению горячей плазмы препятствует обмен зарядами инжектируемых частиц с нейтральными и частично ионизованными атомами остаточного газа. Для накопления плазмы до концентрации п_пл концентрация остаточного газа п и плотность потока инжектируемых ионов должны удовлетворять условию: