Магнитная термоизоляция - радикальное снижение теплопереноса высокотемпературной разреженной плазмы
при помещении её в сильное магн. поле. Термоизоляция магнитная была предложена в 3950 А. Д. Сахаровым
и И. Е. Таммом для осуществления непрерывной реакции синтеза лёгких ядер (изотопов
водорода) в магн. термоядерном реакторе.
Принцип магнитной термоизоляции используется во
всех магнитных ловушках для осуществления управляемого термоядерного
синтеза (УТС).
В основе магнитной термоизоляции лежит ограничение
движения составляющих плазму заряж. частиц (электронов и ионов) в направлении,
поперечном к магн. полю В, за счёт силы Лоренца. В результате
траектории частиц выглядят как спирали, обвивающие магн. силовые линии, и если
бы частицы не испытывали столкновений (точнее, кулоновского взаимодействия между
собой), то магнитная термоизоляция в магн. ловушках была бы идеальной. Но при большой частоте
столкновений v, значительно превосходящей циклотронную частоту wВ
= еВ/т вращения частицы (с зарядом е и массой т)вокруг магн.
силовой линии, когда ср. длина свободного пробега частицы l=u/v
(u- ср. тепловая скорость) много меньше ср. радиуса спирали rвu
/ wВ (ларморовский радиус), магн. поле практически
не влияет на траекторию частиц и магнитная термоизоляция отсутствует.
Магнитная термоизоляция становится эффективной
при l/rB = wВ/v>>
1.
Согласно законам диффузии,
коэф. температуропроводности c = D2v, а энергетич.
время жизни плазмы т, характеризующее темп выноса энергии из плазмы за
счёт диффуз. процессов, определяется ф-лой
где D - ср. смещение
частицы в результате столкновения. В направлении, поперечном магн. полю, ср.
смещение D| = rB -/wВ,
тогда как в отсутствие магн. поля (или вдоль поля) D = l = u/ v.
Таким образом, "классическое" время жизни плазмы, находящейся в
магн. поле, в (wВ/v)2 раз больше,
чем без магн. поля. Это отношение для ионов дейтерия составляет ~ 109
B2 T3/n20 (магн. поле
выражается в теслах, темп-pa - в кэВ, плотность ионов - в единицах 1020м-3).
В условиях термоядерного реактора в этих единицах В~5, Т~ 1030,
n~1. Для электронов численный коэф. в ф-ле равен 4
· 1012.
Реальный теплоперенос в
магн. ловушках оказывается существенно выше классического по двум причинам.
Во-первых, кривизна магн. силовых линий в магн. ловушках приводит к дрейфу
заряженных частиц. В результате дрейфа отклонение траекторий тех частиц,
к-рые совершают многократные отражения от неизбежных в магн. ловушках областей
макс. напряжённости магн. поля (магн. пробок), оказывается значительно больше
ларморовского радиуса, D>>rB. Результирующие "неоклассич."
коэф. температуропроводности и диффузии, зависящие от геометрии системы, строго
рассчитываются в неоклассич. теории переносов (см. Переноса процессы в
плазме).
Вторая и гл. причина ухудшения магнитной термоизоляции неизбежные неустойчивости плазмы ,к-рые в лучшем случае приводят к подстройке профилей температуры и плотности плазмы к устойчивым распределениям. Такой процесс самоорганизации плазмы сопровождается повышением темпа потерь частиц и энергии, тем более высоким, чем менее согласовано распределение источников выделения частиц и тепла в объёме плазмы с устойчивыми профилями плотности и температуры. Этот турбулентный процесс описывается полу-эмпирич. коэф. теплопроводности и диффузии или глобальными зависимостями т от параметров плазмы, магн. системы, мощности нагрева и т. п. Как показали многолетние эксперим. исследования, путём подбора оптимальных условий можно добиться магнитной термоизоляции, достаточной для техн. реализации магн. термоядер, реактора.
В. Д. Шафранов