ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ.
ГЕНЕРАТОРЫ СВЕХТЕРАВАТТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Введение
Эксперименты в области физики плазмы и ее приложений относятся к категории
наиболее энергонапряженных. Это определяется процессами энергопереноса в
исследуемой среде – плазме. Действительно, плазма, как состояние вещества,
характеризуется наибольшей энергией, приходящейся на одну частицу – от единиц эВ в
низкотемпературной плазме, до десятков и даже сотен кэВ в высокотемпературной плазме
при исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза. Кроме того, при таких
удельных энергиях велики скорости движения частиц, прежде всего, свободных
электронов. Следовательно, велика теплопроводность плазмы и связанные с ней потери
энергии из плазмы.
Для оценки, энергосодержание объема V плазмы с концентрацией ионов n,
температурой T, можно записать в виде: E = (Z+1)nTV/(g-1) , где g -показатель
адиабаты, а Z -заряд иона. Если обозначить характерное время остывания плазмы как t,
уравнение энергобаланса можно представить в виде
dE/dt = -E/t + W,
где W – мощность нагрева плазменного объема. В стационарном режиме dE/dt=0, так что
W ~ E/t. Оценим энергетику экспериментального аппарата, использующего магнитное
удержание плазмы с параметрами, приближающимися к условию выполнения известного
критерия Лоусона, который формулируется так: nt> 10
14
см
-3
с при T~10
4
эВ для DT-
плазмы. Пусть экспериментальным аппаратом будет тороидальная магнитная ловушка
токамак с объёмом плазмы V=50.10
6
см
3
, а характерное энергетическое время t~0,5 с. Это
хороший экспериментальный аппарат. Получим мощность, необходимую для
стационарного поддержания потребных параметров плазмы:
W~ (Z+1)nTV/[(g-1)t]= (Z+1)(nt) TV / [(g-1)t
2
].
Для термоядерной плазмы Z~1, g~1,7, так что получим W ~ 100 МВт. Это «чистая»
мощность нагрева, которая с помощью пучка нейтралов или методом высокочастотного
нагрева должна вводиться в плазму для поддержания ее параметров на Лоусоновском
уровне. Учитывая, что к.п.д. таких источников далек от 100% , понимаем, что для
СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ.
ГЕНЕРАТОРЫ СВЕХТЕРАВАТТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Введение
Эксперименты в области физики плазмы и ее приложений относятся к категории
наиболее энергонапряженных. Это определяется процессами энергопереноса в
исследуемой среде – плазме. Действительно, плазма, как состояние вещества,
характеризуется наибольшей энергией, приходящейся на одну частицу – от единиц эВ в
низкотемпературной плазме, до десятков и даже сотен кэВ в высокотемпературной плазме
при исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза. Кроме того, при таких
удельных энергиях велики скорости движения частиц, прежде всего, свободных
электронов. Следовательно, велика теплопроводность плазмы и связанные с ней потери
энергии из плазмы.
Для оценки, энергосодержание объема V плазмы с концентрацией ионов n,
температурой T, можно записать в виде: E = (Z+1)nTV/(g-1) , где g -показатель
адиабаты, а Z -заряд иона. Если обозначить характерное время остывания плазмы как t,
уравнение энергобаланса можно представить в виде
dE/dt = -E/t + W,
где W – мощность нагрева плазменного объема. В стационарном режиме dE/dt=0, так что
W ~ E/t. Оценим энергетику экспериментального аппарата, использующего магнитное
удержание плазмы с параметрами, приближающимися к условию выполнения известного
критерия Лоусона, который формулируется так: nt> 1014 см-3с при T~104 эВ для DT-
плазмы. Пусть экспериментальным аппаратом будет тороидальная магнитная ловушка
токамак с объёмом плазмы V=50.106 см3, а характерное энергетическое время t~0,5 с. Это
хороший экспериментальный аппарат. Получим мощность, необходимую для
стационарного поддержания потребных параметров плазмы:
W~ (Z+1)nTV/[(g-1)t]= (Z+1)(nt) TV / [(g-1)t2].
Для термоядерной плазмы Z~1, g~1,7, так что получим W ~ 100 МВт. Это «чистая»
мощность нагрева, которая с помощью пучка нейтралов или методом высокочастотного
нагрева должна вводиться в плазму для поддержания ее параметров на Лоусоновском
уровне. Учитывая, что к.п.д. таких источников далек от 100% , понимаем, что для
