Инерциальное удержание плазмы

ИНЕРЦИАЛЬНОЕ УДЕРЖАНИЕ плазмы, основанный на использовании инерции вещества способ создания и сохранения требуемых условий в плазме (температуры и плотности) в течение некоторого времени, так называемого времени инерциального удержания. Удержание плазмы необходимо для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). В отличие от квазистационарного магнитного удержания, при котором магнитное поле препятствует разлёту плазмы и уменьшает потери энергии, связанные с теплопроводностью и вылетом заряженных частиц, при инерциальном удержании плазма движется беспрепятственно, а условия, необходимые для осуществления термоядерного синтеза (например, слияния дейтерия и трития), создаются и существуют на стадиях сжатия и расширения. Системы, в которых осуществляется инерциальное удержание, являются в принципе нестационарными: время инерциального удержания t_иy складывается из времени сжатия и расширения плазмы.

Наиболее близка к осуществлению УТС реакция слияния ядер дейтерия D и трития Т, протекающая по схеме:

(n - нейтрон). Реакция протекает интенсивно при температуре плазмы, приближающейся к 10 кэВ (около 10⁸ К), т. е. при затрате энергии на нагрев 4 частиц, участвующих в реакции, около 60 кэВ (без учёта потерь). Поэтому выигрыш по энергии может достигать значения 17,6МэВ/60кэВ≈300.

Если в сфере радиуса R₀ находится горячая плазма со среднем температурой Т₀, состоящая из ядер трития, дейтерия с плотностями n_T, п_D и электронов, то количество реакций синтеза dN/dt в сферическом объёме V за единицу времени можно найти из уравнения:

(συ)_DT (в см³/с) - скорость реакции (1) в единице объёма, усреднённая по максвелловским распределениям дейтронов и тритонов и зависящая только от температуры Т₀, σ - сечение реакции, ν - тепловая скорость частиц. Скорость реакции в объёме V пропорциональна плотности частиц, т. е. плотности вещества p_d,t = m_d,tn_d,t (m_d,t масса дейтронов и тритонов). Время t_иy, в течение которого эффективно протекает термоядерная реакция, пропорционально времени гидродинамического движения плазмы (сжатия и расширения) t_ДВ = R₀/v_ДB (ν_ДΒ - скорость гидродинамического движения). При сжатии плазмы скорость реакции определяется внешними условиями (внешним давлением); при расширении скорость реакции зависит от энергии, выделившейся в плазме в результате реакций. Скорости сжатия и расширения достигают значений 100-1000 км/с.

Важной характеристикой плазмы, определяющей её способность к самоподогреву за счёт поглощения α-частиц, рождающихся в термоядерной реакции, и, следовательно, к осуществлению самоподдерживающейся термоядерной реакции, является отношение размера (радиуса) плазмы R₀ к среднем пробегу α-частиц в этой плазме, l_α, т. е. число пробегов α-частиц на этом размере плазмы. Отношение R₀/l_α оказывается пропорциональным произведению плотности плазмы на её размер к моменту начала реакций, R₀/l_α ~ р₀R₀. Наиболее эффективное термоядерное горение в режиме инерциального удержания возможно при плотностях n >> 10²³ см^-3, т. е. необходимо существенное сжатие плазмы, которое обычно осуществляют в системах с центральной симметрией (цилиндр, сфера). Препятствием к достижению высоких степеней сжатия является гидродинамическая неустойчивость (смотри Неустойчивости плазмы). Для устойчивости системы инерциального удержания необходимы также симметрия и однородность начального состояния плазмы и сжимающего давления.

Для исследования инерциального удержания используют системы с различными источниками энергии: мощные электрические  разряды с силой тока, превышающей 10 MA, потоки заряженных частиц от ускорителей, пучки фотонов от сверхмощных лазеров (смотри Лазерный термоядерный синтез).

Лит.: Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. 2-е изд. М., 1963; Басов Н. Г., Крохин О. Н. Применение лазеров для термоядерного синтеза // Вестник Академии Наук СССР. 1970. № 6; Energy from inertial fusion / Ed. W. J. Hogan. Vienna, 1995; Розанов В. Б. Лазерный термоядерный синтез: исследования в ФИАНе схем и концепций лазерных мишеней // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. № 12.