Физика конфайнмента
Магнитное удерживание плазмы — наиболее разработанный подход к управляемому термоядерному синтезу. Значительную часть проблемы термоядерного синтеза составляет достижение конфигураций магнитного поля, которые эффективно удерживают плазму. Успешная конфигурация должна отвечать трем критериям: (1) плазма должна находиться в равновесном состоянии, не зависящем от времени, (2) равновесие должно быть макроскопически стабильным, и (3) утечка энергии плазмы на ограничивающую стенку должна быть небольшой.
Заряженные частицы стремятся закрутиться по спирали вокруг магнитной линии силы. Необходимо, чтобы траектории этих частиц не пересекались с ограничивающей стенкой. Одновременно тепловая энергия всех частиц оказывает на плазму расширяющее давление. Чтобы плазма находилась в равновесии, магнитная сила, действующая на электрический ток внутри плазмы, должна уравновешивать силу давления в каждой точке плазмы.
Это равновесие должно быть устойчивым, то есть плазма будет возвращаться в исходное состояние после любого небольшого возмущения, например, после постоянных случайных тепловых флуктуаций «шума». В отличие от этого, нестабильная плазма, скорее всего, выйдет из состояния равновесия и быстро (возможно, менее чем за одну тысячную секунды) покинет ограничивающее магнитное поле после любого небольшого возмущения.
Плазма, находящаяся в устойчивом равновесии, может поддерживаться бесконечно долго, если утечка энергии из плазмы уравновешивается ее поступлением. Если потери энергии плазмы слишком велики, то воспламенение невозможно. В результате столкновений между частицами происходит неизбежная диффузия энергии по силовым линиям магнитного поля. В результате энергия переносится от горячего ядра к стенке. Теоретически этот процесс переноса, известный как классическая диффузия, не является сильным в горячей термоядерной плазме и может быть компенсирован за счет тепла от продуктов слияния альфа-частиц. В экспериментах, однако, энергия теряется из плазмы в 10-100 раз больше, чем ожидается из теории классической диффузии. Решение проблемы аномального переноса предполагает исследование фундаментальных тем в физике плазмы, таких как турбулентность плазмы.
За прошедшие годы было разработано и испытано множество различных типов магнитных конфигураций для удержания плазмы. Их можно разделить на два класса: закрытые, тороидальные конфигурации и открытые, линейные конфигурации. Тороидальные устройства являются наиболее высокоразвитыми. В простом прямолинейном магнитном поле плазма свободно вытекает через торцы. Потери на концах можно устранить, сформировав плазму и поле в замкнутой форме пончика, или тора, или, в подходе, называемом зеркальным удержанием, «закупорив» концы такого устройства магнитно и электростатически.
