Книга, до некоторой степени, отражает состояние плазменной науки в США. Она будет очень полезна для ознакомления начинающего читателя с современным состоянием зарубежной науки в этой области.
Ц. А. ФРАНК-КАМЕВЕЦКИЯ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мы пытаемся в основном написать учебник для аспирантов первого или последующих лет обучения. Имея в виду эту конечную цель, мы начинаем изложение с основных принципов, для того чтобы книга стала полезной и для тех инженеров и физиков, которые не имеют предварительной подготовки в данной области. Однако книга не представляет собой элементарного курса: мы знакомим читателя со многими сложными вопросами, которые до сих пор оживленно обсуждаются в журнальной литературе.
Мы надеемся, что книга окажется полезной также и для лиц, которые специально не изучают эти вопросы, но интересуются физикой плазмы вообще и проблемой управляемой термоядерной реакции в частности. Лицам, непосредственно работающим в этой области, книга может оказаться полезной для справок по основным атомным и ядерным процессам, по физическим принципам, по вопросам, связанным с извлечением энергии, по схемам удержания и т. д.
В первых двенадцати главах излагаются основы физики плазмы, магнитной гидродинамики, элементы газовой электроники в сочетании с теорией процессов переноса и электродинамикой. В последующих четырех главах дается обзор современных подходов к проблеме управляемого синтеза и излагаются вопросы, связанные с извлечением энергии из гипотетических реакторов. Здесь мы стремились прежде всего осветить основные принципы и современное состояние исследований, вместо того чтобы подробно разбирать множество проходящих экспериментов. По всей книге, за исключением данных по эффективным сечениям и некоторых других случаев, используется рационализированная система единиц MK.S, и мы хотели бы, чтобы все прочие системы были как можно скорее забыты. Для перехода к этой системе от других систем единиц в Приложении 2 дается специальная таблица.
От читателя требуется знание основ атомной физики, дифференциальных уравнений, электродинамики и термодинамики. Предполагается также, что читатель прослушал основные курсы физики, электротехники и механики.
Мы отнюдь не претендуем на полноту изложения. Выбор материала определялся нашим стремлением избежать чрезмерного увеличения объема книги и слишком громоздких выкладок (насколько нам это удалось — другой вопрос). К числу важных вопросов, не получивших освещения в книге, относятся, например, уравнение Фоккера-Планка, современные кинетические теории плазмы и связанные с ними теории корреляции, вопросы удержания плазмы с помощью высокочастотных электромагнитных полей (радиационным давлением) и др.
Вопросы диагностики плазмы отдельно не рассматриваются, но излагаются в связи с другим материалом, главным образом в последних трех главах. Квалифицированный читатель несомненно обнаружит и другие упущения. Мы надеемся подготовить читателя к тому, чтобы он мог самостоятельно разобраться в этих и других вопросах физики плазмы.
По мере приближения к концу книги темп нашего изложения убыстряется. Такой способ изложения принят в расчете на рост уровня учащихся после одного или двух семестров. Задачи в конце каждой главы преследуют три основных цели: они иллюстрируют текущий материал, обобщают и дополняют излагаемые принципы и подготовляют данные для дальнейшего изложения.
Кроме того, в конце глав приводится иногда список литературы, предназначенной для общего чтения. Приведем здесь часть этой литературы, которая относится ко всей книге.
Если книга будет использоваться для односеместрового курса, мы рекомендуем некоторые из более сложных разделов, относящихся к тензору натяжений, циклотронному излучению, устойчивости и балансу энергии, опустить полностью или ограничиться их кратким изложением. Эти разделы в оглавлении помечены звездочкой. В двухсеместровом курсе мы дополняем книгу анализом конфигураций магнитного поля, изложением уравнения Фоккера-Планка, кинетической теории плазмы, теории распро странения электромагнитных волн в плазме и плазменных колебаний, а также других специальных вопросов, которые меняются год от года.
Сделаем ряд замечаний о физике плазмы вообще и о термоядерных исследованиях в частности. Хотя для изучения плазмы достаточно в основном законов Ньютона и уравнений Максвелла, все же мы до сих пор плохо понимаем ее поведение главным образом вследствие дальнодействующего характера сил взаимодействия между частицами, из-за которого приходится иметь дело с проблемой многих тел. Тем не менее на эту несовершенную науку оказывается значительное давление как технического, так и социального характера, побуждающее к скорейшему разрешению проблем, связанных с исследованиями космического пространства, магнитогидродинамическими преобразователями энергии, управляемыми термоядерными реакциями и т. п.
Вследствие существования такого давления при общем неудовлетворительном состоянии термоядерных плазменных исследований имеется что-то общее между этой областью науки и алхимией. Несмотря на много прекрасных слов1, плазма, эта квинтэссенция веществ, еще ненадежна в наших руках. Мы надеемся, что в конечном счете плазма оправдает связанные с ней ожидания. Некоторые из ожидаемых открытий и в особенности управляемые термоядерные реакции имеют большие потенциальные возможности для блага. Если бы мы не имели такой надежды, то вообще не стали бы писать эту книгу. С другой стороны, если мы хотим продвинуться вперед, нам следует запастись терпением — ведь надежда сама по себе является необходимым, но отнюдь не достаточным условием своего осуществления.
ДЭВИД ДЖ. РОУЗ, МЕЛВИЛЛ КЛАРК, МЛ.
Кембридж, Массачусетс Февраль, 1961 г.
1 «... Этой ночью превращу я в злато
Весь металл, что в доме есть моем». Бен Джонсон, «Алхимии».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию................. ;>
Предисловие............................ \
Глава 1. Мировая потребность в энергии и ее запасы........ 7
1.1. Мировая потребность в энергии............. 8
1.2. Ресурсы неядерного горючего.............. 10
1.3. Ресурсы делящегося ядерного горючего......... 12
1.4. Запасы термоядерного горючего............. 13
1.5. Некоторые сведения о проблеме управляемых термоядерных
реакций ........................
Задачи......................... 17
Литература....................... 18
Глава 2. Явления, связанные с соударениями частиц. Основы теории
и эффективные сечения реакций синтеза........ 19
2.1. Сечение, пробег и частота соударений........... 20
2.2. Скорость, энергия и температура ............ 22
2.3. Экспериментальные значения сечений синтеза...... 2?>
2.4. Простые физические выводы из свойств сечений синтеза ... 26
2.5. Классическая теория упругих соударений........ 28
Задачи......................... 34
Литература....................... —
Глава 3. Соударения частиц, атомные и поверхностные явления ... 35
3. 1. Упругое рассеяние ионов и электронов.......... —
3. 2. Перезарядка ...................... 38
3. 3. Возбуждение атомов, ионов и молекул электронами ... 43 3. 4. Ионизация посредством электронного ионного или атомного
удара ......................... 45
3. 5. Прилипание электронов................. 40
3. fi. Рекомбинация..................... 49
3. 7. Столкновение частиц с поверхностями. Природа поверхности 50
3. 8. Вторичная электронная эмиссия............. 52
3. 9. Вторичная электронная эмиссия под действием ионов ... 54 3.10. Распыление....................... 56
Задачи ........................ 59
Литература....................... 60
Глава 4. Распределения по скоростям и средние значения величин ... ^
4. 1. Пространство скоростей и функции распределения .... ~~~.
4. 2. Вывод уравнения Больцмана.............. «^
4. 3. Распределение Максвелла—Больцмана.......... ?'
4. 4. Диффузия и подвижность................ ^
4. 5. Параметр Е/р в слабоионизованных газах........ '^
4. 6. Пробой в газах .................... ' .
4. 7. Пробой и начальное образование заряда в торе.....
4. 8. Диффузия чаётиц при наличии объемного заряда..... 82
4. 9. Скорости реакций ................... 87
4.10. Кинетика ядерных реакций и плотность мощности..... 90
Задачи......................... 93
Литература....................... 95
Глава В. Уравнения Максвелла и энергия электромагнитного поля 96
5.1. Уравнения Максвелла ................. 97
5.2. Уравнения среды ................... 100
5.3. Уравнения Максвелла в равномерно и прямолинейно движущихся средах...................... 103
5.4. Векторный и скалярный потенциалы........... 106
5.5. Плотность энергии электромагнитного поля и вектор Пойн-тинга......................... . . 108
5.6. Натяжения электромагнитного поля........... 109
5.7. Волновое уравнение и диффузия магнитного поля .... ИЗ
Задачи......................... 115
Литература....................... 116
Глава 6. Гндромагнитные уравнения............... 117
6.1. Метод получения макроскопических уравнений ..... 118
6.2. Уравнение переноса импульса ............. 119
*6.3. Кинетический тензор натяжений ............ 122
6.4. Уравнение переноса энергии .............. 124
6.5. Больцмаповский множитель для частиц в потенциальной яме 127
6.6. Гидромагнитные уравнения плазмы ........... 128
Задачи......................... 131
Литература....................... 132
Глава 7. Макроскопическое движение плазмы........... 133
7.1. Рассмотрение упрощенных гидромагнитных уравнений . . . 134
7.2. Магнитные и изобарические поверхности и удержание плазмы 135
7.3. Магнитное давление .................. 140
*7.4. Полный тензор натяжений ............... 141
7.5. Удержание и адиабатическое сжатие плазмы....... 142
7.6. Потоки частиц и проводимость полностью ионизованного магнитоактивного газа ................. 145
7.7. Потоки частиц и проводимость магнитоактивного лорентцов-ского газа ...................... 149
*7.8. Простые ударные волны. Соотношения Гюгонио..... 155
*7.9. Применения соотношений Гюгонио ........... 157
Задачи......................... 159
Литература....................... 161
Глава 8. Кулоновские взаимодействия и связанные с ними эффекты 163
8.1. Экранирование электростатических полей ........ 164
8.2. Кулоновское рассеяние ................ 167
8.3. Время релаксации ................... 170
8.4. Сопротивление полностью ионизованной плазмы ..... 178
8.5. Динамическое трение.................. 179
8.6. Убегающие электроны.................. 181
Задачи......................... 184
Литература....................... 185
Глава 9. Волны малой амплитуды в плазме........; . . . . 186
9.1. Электромагнитные волны в пространстве, свободном от зарядов ........•................. 187
9.2. Электромагнитные волны и резонансы в плазме...... 189
9.3. Электромагнитные волны в магнитоактивной плазме .... 192
* Разделы, помеченные звездочкой, могут быть опущены для сокращенного курса.
•f
9.4. Гидромагнитные волны .................. 198
9.5. Электроакустические волны .............. 200
Задачи......................... 201
Литература....................... 203
Глава 10. Движение отдельных заряженных частиц......... 204
10.1. Орбиты частиц в однородных постоянных полях..... 205
10.2. Движение в неоднородном магнитном поле........ 208
*10.3. Инвариантность момента частицы в цилиндрически симметричном магнитном поле............... 215
10.4. Орбиты частиц в магнитных полях, медленно меняющихся
со временем...................... 218
10.5. Адиабатические инварианты .............. 220
10.6. Неоднородные магнитные поля и зеркальные ловушки . . . 221
10.7. Диффузия одинаковых частиц поперек магнитного поля . . 227 *10.8. Анализ понятия магнитных силовых линий....... 229
Задачи ........................ 232
Литература ...................... 234
Глава 11. Излучение из плазмы ................. 235
11.1. Излучение и поглощение. Излучение черного тела .... 236
11.2. Тормозное излучение ................. 239
*11.3. Циклотронное излучение отдельного электрона..... 243
*11.4. Циклотронное излучение электронов из плазмы..... 248
*11.5. Плотность мощности циклотронного излучения..... 253
*11.6. Влияние отражателей................. 261
Задачи ........................ 263
Литература ....................... 264
Глача 12. Устойчивость плазмы................. 265
12.1. Элементарные замечания относительно устойчивости . . . 266
12.2. Простой вывод условий неустойчивости поверхности плазмы 267
12.3. Простой энергетический вывод условия желобковой неустойчивости ...................... 271
12.4. Простые критерии устойчивости в применении к схемам удержания....................... 275
*12.5. Линеаризация гидромагнитных уравнений при малых
возмущениях ..................... 277
*12.6. Энергетический принцип ............... 286
*12.7. Дополнительные замечания относительно энергетического
принципа ....................... 290
*12.8. Устойчивость плазмы при отсутствии внутреннего магнитного поля....................... 293
Задачи ........................ 299
Литература ...................... —
Глава 13. Энергетический баланс и проблема выбора материалов . . . 300
13.1. Нейтронный поглотитель ............... 301
13.2. Вакуумная стенка .................. 307
13.3. Катушки удерживающего поля............. 30&
*13.4. Степень выгорания и давление гелия в DT-системах при
наличии утечки частиц ................ 316
*13.5. Баланс энергии в DT-реакторе, очищенном от гелия, при
наличии потерь.................... 322-.
*13.6. Динамические уравнения для систем без ухода частиц 328
Задачи ........................ 334
Литература ...................... 335
Глава 14. Устройства, основанные на пинч-эффекте........ 336
14. 1. Обычный пинч .................... 337
14. 2. Неустойчивость обычного пинча ............ 342
*14. 3. Критерий гидромагнитной устойчивости для линейного
пинча......................... 347
*14. 4. Уравнение Эйлера—Лагранжа............. 352
*14. 5. Окончательная форма критерия устойчивости Сайдема . . 354
*14. 6. Анализ неустойчивости по Ньюкомбу ......... 359
14. 7. Типичные системы для создания линейного пинча .... 363
14. 8. Типичные системы для создания тороидальных пинчей . . . 370
14. 9. Трубчатый и обратный пинчи............. 374
14.10. Резюме и выводы ................... 378
Задачи ........................ 379
Литература ...................... 380
Глава 15. Устройства зеркального типа ............. 382
15.1. Потери частиц из зеркальных ловушек......... 383
15.2. Зеркальные ловушки с импульсом малой длительности . . . 387
15.3. Зеркальные ловушки с импульсом большой длительности 392
15.4. Инжекция ионов и выгорание газа в стационарных ловушках
с зеркалами...................... 400
15.5. Стационарные зеркальные устройства с инжекцией молекулярных ионов...........'......... 411
*15.6. «Астрон» ....................... 417
*15.7. Системы с остроконечной геометрией .......... 421
15.8. Резюме и выводы ................... 427
Задачи ........................ 428
Литература ...................... 431
Глава 10. Стелларатор...................... 434
16.1. Преобразование вращения и магнитные поверхности .... 436
16.2. Удержание в стеллараторе.....•.......... 442
16.3. Дивертор и другие конструктивные особенности стеллара- 445 торов .........................
16.4. Эксперименты с импульсом тока постоянного направления 448
16.5. Электронная плотность, потери и «убегание» электронов 454
16.6. Нагрев плазмы высокочастотными электромагнитными 459 полями ........................
16.7. Ионные циклотронные волны и ионный циклотронный нагрев 463
16.8. Резюме и заключение ................. 471
Задачи ........................ 472
Литература ...................... 473
Приложение 1. Список обозначений ........... 475
Приложение 2. Соотношение между различными системами
единиц.................. 478
Приложение 3. Часто используемые векторные соотношения 482
Приложение 4. Часто встречающиеся физические константы 483
Цена: 150руб.
