Формула Мирнова
Формула Мирнова довольно хорошо описывает зависимость энергетического времени жизни от наиболее важных параметров для большинства токамаков. Это видно из того, что экспериментальные точки для токамаков хорошо ложатся на прямую, рассчитанную по формуле Мирнова.
На том же рисунке кружками с крестом внутри показаны данные по времени удержания энергии плазмы в стеллараторе Л-2.
Из сравнения видно, что время удержания в стеллараторе значительно больше, чем можно ожидать для токамака. При тех значениях параметров плазмы и магнитного поля, которые были в стеллараторе Л-2, время жизни энергии по формуле Мирнова получается немного меньше 0,001 с. И эксперимент на токамаке ТМ-3, который работал как раз при таких параметрах, подтверждает это. А в стеллараторе Л-2 время жизни энергии получалось в 3, а то и в 10 раз больше!
Когда стелларатор работает как стелларатор. Нагрев плазмы электрическим током хотя и требует самого простейшего оборудования по сравнению с другими методами, не очень-то подходит для стеллараторов, потому что магнитное поле тока искажает поле стелларатора и приводит к ухудшению удержания плазмы. Но на эту же картинку можно посмотреть и с другого конца — смотрите, как быстро улучшается время удержания плазмы в стеллараторах с уменьшением тока! А что если его совсем выключить?
Но ведь плазму чем-то греть надо. Поэтому, прежде чем выключить ток, надо разработать методы нагрева плазмы без тока. Поскольку структура магнитного поля в токамаках и стеллараторах почти одна и та же, для нагрева плазмы в стеллараторах можно использовать те же методы, что и в токамаках.
Физики из Харьковского физико-технического института
Первыми попытку получить бестоковую плазму в стеллараторе предприняли англичане на стеллараторе Клео. Для нагрева плазмы вместо тока они использовали генератор радиоволн мощностью 15 кВт, работавший на частоте электронного циклотронного резонанса.
В принципе эксперимент удался — удалось полностью выключить ток в, плазме, и плазма продолжала жить в ловушке, поддерживаемая только энергией радиоволн. При такой маленькой мощности генератора температура плазмы установилась на довольно низком уровне — 600 тысяч градусов, но не падала до нуля.
Более впечатляющие результаты по нагреву плазмы радиоволнами получили японские физики на стеллараторе Гелиотрон-Е, мощность генератора которого была 200 кВт, соответственно и температура электронов получилась гораздо выше — 5 миллионов градусов.
Физики из Харьковского физико-технического института пошли по другому пути. На стеллараторе Ураган-2 они поставили опыт по нагреву плазмы радиоволнами, находящимися в резонансе не с электронами, а с ионами. В опытах на Урагане-2 задачи получения бестокового ренсима не ставилось. Зато нагрев ионов получился очень хорошо — была достигнута температура ионов 4 миллиона градусов, что в 4 раза выше, чем при нагреве только током, без радиоволн.
Первые опыты по нагреву плазмы пучками нейтральных атомов были проведены на немецком стеллараторе Ванделыптейн-7А, где специальных вводов для атомных пучков предусмотрено не было. Поэтому немецким физикам пришлось пустить пучок атомов почти перпендикулярно к плазме — под углом 84°.