Новотрон — ускоритель плазмы¶

Новотрон — установка для удержания и ускорения плазмы, созданная в 1950-х годах в СССР в рамках программы управляемого термоядерного синтеза. Представляет собой тороидальную магнитную ловушку, в которой плазменный шнур одновременно служит вторичной обмоткой трансформатора: ток, индуцируемый в плазме, создаёт как нагрев, так и собственное магнитное поле, удерживающее разряд. Новотрон относится к классу тороидальных систем с продольным током и считается предшественником токамака.

¶История

Идея установки принадлежит советским физикам, работавшим над проблемой термоядерного синтеза в Институте атомной энергии. В 1951 году сотрудники лаборатории Игоря Курчатова предложили несколько схем магнитных ловушек, среди которых были тороидальные системы с током в плазме. Термин «новотрон» был предложен для одной из таких конфигураций, разрабатывавшейся в начале 1950-х.

Название отражало новизну подхода: в отличие от более ранних прямых и пробочных ловушек, здесь удержание обеспечивалось полем самого разряда. Работы велись параллельно с проектированием других тороидальных устройств, и к середине 1950-х годов обозначилось соперничество двух схем — новотрона и токамака, предложенного в 1951 году Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.

К концу 1950-х эксперименты на новотронах выявили принципиальные трудности, и приоритет в советской программе был отдан токамакам. Первый крупный токамак Т-3, построенный в 1962 году, показал параметры, недостижимые для новотронной схемы, после чего работы над новотронами были свёрнуты.

¶Устройство и принцип работы

Конструктивно новотрон — это тороидальная камера (бублик), заполненная газом при низком давлении. Через плазму пропускается мощный электрический разряд, играющий роль вторичной обмотки трансформатора. Первичная обмотка питается импульсным током, который индуцирует в плазме кольцевой ток.

Основные элементы:

• тороидальная разрядная камера;
• железный сердечник (магнитопровод), охватывающий тор;
• первичная обмотка трансформатора;
• продольное магнитное поле, создаваемое самим током плазмы;
• система напуска газа и откачки.

Ток в плазме создаёт вокруг шнура собственное азимутальное магнитное поле. Складываясь с продольным полем, оно образует винтовую структуру силовых линий. Именно эта винтовая конфигурация удерживает плазму вдали от стенок камеры.

¶Отличия от токамака

Ключевое различие между новотроном и токамаком — роль внешнего продольного магнитного поля.

В токамаке сильное внешнее тороидальное поле подавляет неустойчивости, тогда как в новотроне поле почти целиком определялось разрядом, что делало плазму подверженной срывам и быстрым потерям энергии.

¶Проблемы и причины отказа

Эксперименты показали, что в новотронной конфигурации развиваются крупномасштабные неустойчивости — прежде всего перетяжки и винтовые моды, приводящие к выбросу плазмы на стенки. Время удержания оказывалось на порядки меньше предсказанного теоретически.

Дополнительные трудности:

• сильное взаимодействие плазмы со стенками камеры и примесями;
• нагрев ионов оказывался недостаточным;
• невозможность независимо управлять нагревом и удержанием;
• быстрый рост сопротивления плазмы и срыв разряда.

Совокупность этих факторов привела к тому, что схема не обеспечивала требуемых параметров, и ресурсы были перераспределены в пользу токамаков.

¶Значение

Несмотря на отказ от практического использования, новотрон сыграл заметную роль в развитии физики плазмы. На этих установках были впервые детально изучены многие неустойчивости тороидального разряда, отработаны методы диагностики плазмы, измерений температуры и плотности, а также техника импульсного питания.

Опыт новотронов непосредственно повлиял на проектирование токамаков: понимание роли внешнего продольного поля и необходимости стабилизации разряда стало одним из главных выводов раннего этапа термоядерных исследований. В историографии физики плазмы новотрон рассматривается как важный промежуточный этап между первыми пробочными ловушками и современными тороидальными системами.

¶См. также

• Токамак
• Стелларатор
• Управляемый термоядерный синтез
• Магнитная ловушка