ENVIRONMENTAL CONSEQUENCES  OF THE GLOBAL ENERGY SYSTEM AND ROLE OF THE FUSION.
( ВОЗМОЖНА ЛИ БУДУЩАЯ МИРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕЗ ТЕРМОЯДА? )

S.Putvinski

ITER Joint Central Team

    More than 30 years ago L.A.Artsimovich said: “The fusion reactor will be build when it will be needed!”. Is fusion needed? When it will be needed? Is there other solutions for the long term problems of the world energy systems? These questions are discussed in the presentation with an accent on the environmental aspects of the energy production.
    The presentation starts with a review and analysis of the energy consumption and energy demands in the industrial and developing countries. The global picture and the trends in the evolution of the global energy system are presented on the basis of statistical data. The main conclusion is that the present well being of homo industrial is based on large energy consumption which is provided by the access to a cheap energy source - organic fuels.  It is most probable that the total energy production will continue to grow for the next 50-100 years. However, burning of the fossils is accompanied by a severe atmospheric pollution. Even at the present level of the global energy production this leads to a serious intervention in the carbon cycle - the basis of life on the Earth, and long term consequences for the environment and biosphere.
    This discussion will be followed by a review of the Earth climate history and prognoses of the global warming by man-made greenhouse effect. The gradual cooling of the Earth during last 60 millions years has changed about 5 millions years ago by a regime with large and periodical temperature variation with the major period of about 120 thousand years.  There were also high frequency oscillations with the relatively large amplitude (5-10° C) and period of 1-2 thousand years. The antropogenic pollution and resultant global warming shall soon reach the magnitude comparable to the natural fluctuation in the insolation which are believed to be the cause of the fast climate changes. This is well recognized and a first International agreement is reached last year to limit emission of the greenhouse gases. However, the present steps are not sufficient for a solution of the problem.What can be done, and what energy sources are available to replace fossils? The candidates are Hydroelectric, Solar energy, Biomass production, Nuclear Fission and Fusion. The rest, such as: energy of the wind, geothermal and others should be promoted as much as possible but are clearly too small to have a significant contribution to the global energy system. Each of the sources has its own limitation and place in the future global energy system but only Nuclear Fission and Fusion are capable to replace fossils in the baseline power production. The main and justified concerns for the Nuclear Fission are potential spread of nuclear-weapons-relevant technology and materials, and accumulation of radioactive waste. Nuclear Fusion could be, in principle, an acceptable solution for the primary energy producer. Two approaches - magnetic and inertial fusion are still competing each other in developing fusion power plant. In the both cases the critical technologies need to be developed and critical experiment still needs to be done.
    In conclusion, it is likely that in 40-50 years from now the nuclear energy (fission and fusion) will become the major energy source in the global energy system. It is time now to develop an active and long term scientific fusion program to arrive in 40-50 years to the commercially competitive fusion energy system needed for future prosperity of the human race.

 Инновационные  стеллараторные системы

В..Д. Шафранов, М.И. Михайлов

Российский научный центр “Курчатовский институт”

    Предпринятый в 1981 г. немецкими физиками поиск магнитной конфигурации улучшенного стелларатора, отправляясь не от задания формы магнитных обмоток (катушек), а от внутренней геометрии системы магнитного удержания, привел к созданию  проекта хорошо оптимизированного стелларатора W7-X c пространственной (винтовой)  магнитной  осью  и   к  возникновению  концепции квазисимметрии. В квазисимметричном стеллараторе изолинии модуля B  идут вдоль тора таким образом, что уравнения дрейфового движения заряженных частиц имеют интеграл движения, как и при аксиальной симметрии в токамаке. При этом отсутствуют “супербанановые” траектории, и неоклассические переносы оказываются  такими же,  как и в токамаке. Одновременно повышается предельное по равновесию и устойчивости давление плазмы. Открытие принципа квазисимметрии привело к всплеску активности (особенно в США и Японии) в исследованиях по стеллараторам. В октябре 1996 г, в Нью-Йорке состоялось первое Американо-Японское рабочее совещание по концепции улучшенных стеллараторов. Новые проекты компактных стеллараторов, включая гибрид стелларатора с токамаком, были основной темой  недавних конференций в Токи (сентябрь 1997) и в Киото (декабрь 1997). В конце января этого года в Принстоне состоялось второе Американо-Японское рабочее совещание по улучшенным стеллараторам,
    Подбор магнитной системы, удовлетворяющей принципу квазисмимметрии и условиям МГД устойчивости, требует сложных  трехмерных численных расчетов,  которые  интенсивно ведутся в США,  Японии, Германии  и в других странах,

    В докладе 1) кратко освещается  состояние стеллараторных исследований в мире, 2) рассмотрены  основы принципа квазисимметрии, 3) обсуждаются возможности реализации как тороидальной (включая аксиально-симметричную и винтовую ),  так и полоидальной квазисимметрии, 4) по материалам упомянутых конференций и рабочих совещаний описаны существующие проекты инновационных компактных стеддараторов, В заключение представлен предложенный авторами данного доклада принцип псевдосимметрии, который, не обеспечивая существование интеграла уравнений дрейфового движения, позволяет существенно снизить неоклассический перенос и в отличие от квазисимметрии может быть, в принципе, реализован во всем объеме плазмы.

 СТРУКТУРЫ  ИОННО-ЗВУКОВОЙ И ДРЕЙФОВОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТЕЙ ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЫ

Н.Н. Скворцова, К.А. Сарксян

Институт Общей Физики Российской Академии Наук, Москва

    К исследованиям структуры низкочастотной (НЧ) плазменной турбулентности в настоящее время привлечено особое внимание. Это связано с многолетними попытками объяснить турбулентный перенос на краю плазмы в замкнутых магнитных ловушках. Экспериментально было показано, что в НЧ турбулентности в замагниченной плазме независимо от типа турбулентности (дрейфовая или ионно-звуковая), независимо от вида магнитной ловушки (токамак, стелларатор или линейная система)  фиксируется множество общих параметров. Эти характерные общие параметры НЧ турбулентности: широкополосные частотные спектры, вспышечный характер сигналов, распределение плотностей вероятности сигналов отличное от Гауссового распределения, дискретные масштабы пространственных и временных корреляций, неоднородные во времени и пространстве структуры  - наблюдаются по отдельности во многих экспериментах. Экспериментальные результаты позволяют утверждать, что мы имеем дело с НЧ сильной структурной турбулентностью при обычных параметрах плазмы в ныне действующих установках.
    В докладе рассмотрены только целенаправленно проводимые эксперименты по исследованию низкочастотной плазменной турбулентности на следующих установках: стелларатор Л-2 , стелларатор Л-2М, линейная модельная установка ТАУ-1, торсатрон TJ-1U, Q-машина, линейная модельная установка Кильского университета, токамак ASDEX, стелларатор Wandelstein. От низкочастотной турбулентности холодной плазмы (модельные установки) до краевой турбулентности горячей плазмы (стеллараторы, торсатрон, токамак), - таков диапазон проводимых в настоящее время исследований. В этих экспериментах пытаются решить две задачи: фундаментальную - описать и изучить основные параметры и свойства низкочастотной плазменной турбулентности, и прикладную -  определить степень влияния  низкочастотной турбулентности на процессы аномального переноса.
    В этих экспериментах возникла необходимость в новых методах анализа для изучения пространственно-временных дискретных событий, долгоживущих волновых движений, нелинейного взаимодействия между волновыми движениями. Такими методами анализа являются:  спектральный анализ по волновым пакетам (wavelet), вероятностный метод анализа фазы (фазовый портрет), гармонический биспектральный анализ, биспектральный анализ по волновым пакетам, вероятностные методы анализа, анализ долгоживущих корреляций и т.д.
    В большинстве экспериментов в низкочастотной турбулентности было показано, что основной ее особенностью является существование в ней  структурных временных и пространственных образований. Структуры в НЧ турбулентности часто оказываются    пространственно скорреливанными. Структуры  взаимодействует между собой, лишь часть из них  возбуждается спонтанно. В отдельных экспериментах наблюдались процессы нелинейного слияния и распада структур, было измерено характерное время одно цикла нелинейного взаимодействия между структурами. Экспериментальные данные позволили сделать некоторые предположения о природе  структур. Рассмотрены вихревые и солитоноподобные структуры для описания структур НЧ плазменной  турбулентности.

БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНАЯ  ДИССИПАЦИЯ  И САМООРГАНИЗАЦИЯ ПЛАЗМЫ В ОТКРЫТЫХ  ВЛАСОВСКИХ СИСТЕМАХ

Ю.С.Сигов

Инстртут прикладной математики РАН, Москва, Россия.

Доклад основан на обзоре в "ФП" (т.23, ?4, 325-342, 1997) и является его существенным обобщением и развитием в следующих моментах:

  1. Погружение системы SIEB (Steadily Injected Electron Beam) в более общее понятие "сложной системы" (Complexity). Краткий обзор общих свойств Complexity и сценариев самоорганизации.
  2. Добавлены обзор и обсуждение серии численных экспериментов с учетом кинетики ионов при реальном соотношении масс. Демонстрация оригинальной ("packeton's") диагностики, разработанной для выявления тонких корреляционных эффектов.
  3. Динамика релаксации и возникновение турбулентных режимов иллюстрируется цветными видеофильмами.

МАЗЕРНЫЙ ЭФФЕКТ  В  “БЕЗЫНВЕРСНЫХ”   НЕРАВНОВЕСНЫХ КОЛЛЕКТИВАХ КЛАССИЧЕСКИХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ

 М.Д.Токман, А.В.Гапонов-Грехов

ИПФ РАН, Н.Новгород, Россия

    Найдены классические аналоги квантовых систем, способных к стимулированному излучению в отсутствие традиционной инверсии. Показано, что циклотронная параметрическая неустойчивость при низкочастотной модуляции функции распределения электронов может приводить к усилению бихроматического высокочастотного поля даже в том случае, когда усиление каждой из спектральных компонент по отдельности невозможно в силу спадающего характера энергетического спектра резонансных частиц. Аналогичные  нелинейные режимы указаны для черенковского излучения и модельной  колебательной системы с сосредоточенными параметрами. Построена квазилинейная теория, описывающая энергообмен между высокочастотным полем и электронным ансамблем в таких режимах стимулированного излучения.  Выяснено, что в отличие от традиционной квазилинейной релаксации функции распределения к “плато” по энергиям, в данном случае  генерация излучения приводит к формированию более резкого спада энергетического спектра в области резонансных частиц.  Предложена схема экспериментальной реализации  данного эффекта.  Доклад подготовлен  по материалам  статьи [1].

    Литература.
   1. А.В. Гапонов-Грехов, М.Д.Токман,  ЖЭТФ, 1997, том 112, вып. 4(10), стр. 1176-1196.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ КУМУЛЯЦИЯ И ЕЕ ХАРАКТЕРНЫЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ

И.В.Соколов

Институт общей физики РАН, Москва, Россия

    Гидродинамическая кумуляция энергии, одна из ключевых идей термояда, продолжает активно разрабатываться в последние годы. Помимо надежд на использование в УТС, кумуляция неразрывно связана с задачами генерации сильных электромагнитных полей, физики высоких давлений, фазовых переходов при экстремальных плотностях энергии, рентгеновских лазеров.
    Значительный прогресс достигнут в исследованиях неустойчивостей типа Рэлея-Тейлора и Рихтмайера-Мешкова, препятствующих кумуляции, в развитии для них количественно точных методов описания, численных кодов. Хотя в большинстве вопросов достигнут глубокий уровень понимания, есть несколько экспериментов в смежных с физикой плазмы областях, в которых неожиданно были получены очень высокие степени сжатия при полном отсутствии неустойчивости.
    Анализ экспериментов и соответствующих теоретических моделей указывает, что гидродинамической кумуляции, так же как и плазме в больших токамаках, присуще наличие L- и Н- режимов. В Н- режимах малая диссипация и неустойчивость нескольких крупномасштабных мод приводят к подавлению всех остальных мод и к повышению степени сжатия.
    Отдельный вопрос - неустойчивость моды с дипольной (векторной) симметрией. Развитие этой неустойчивости тесно связана с законом сохранения импульса. Она представляет особую опасность для газодинамического термоядерного синтеза.
    Предложена гипотеза возникновения крупномасштабной асимметрии в заряде ГДТС, которая была зафиксирована в экспериментах ВНИИЭФ.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАКРОЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ

А.М. Игнатов

Институт общей физики РАН, Москва

    Пылевая плазма представляет собой сложную открытую систему с постоянным обменом вещества между плазменными и пылевыми компонентами. Вследствие различий тепловых скоростей электронов и ионов отдельные пылевые макрочастицы оказываются, как правило, отрицательно заряженными. В то же время, многие экспериментальные факты [1] свидетельствуют о том, что силы между макрочастицами в плазме могут носить притягивающий характер.
    В настоящее время предложено несколько механизмов притяжения пылинок, каждый из которых может реализоваться при определенных параметрах плазмы. В окрестности электрода в высокочастотном разряде формируются потоки плазмы, причем скорость потока ионов, в принципе, может превосходить звуковую скорость. В этих условиях потенциал взаимодействия между одноименными зарядами оказывается притягивающим [2]. По-видимому, этот механизм играет существенную роль в формировании квазидвумерного пылевого кристалла [3].
    Другой механизм притяжения связан с тем, что любое поглощающее макроскопическое тело (например, пылевая макрочастица) формирует сходящийся поток плазмы, который, в свою очередь, увлекает за собой другие тела. В результате между любыми макро- или мезоскопическими телами в плазме возникают эффективные силы притяжения, подобные гравитации по характеру зависимости от расстояния   [4].   Эти   квазигравитационные   силы   могут   уравновесить электростатическое отталкивание и привести к формированию пылевого облака с резкой границей. Недавно существование притяжения между макроскопическими телами в плазме было продемонстрировано экспериментально [5]. По-видимому, этот процесс играет роль в формировании объемных пылевых структур в тлеющем разряде [6].
    Наконец, следует отметить, что даже в равновесной плазме сильно нелинейная дебаевская экранировка может приводить к притяжению одноименных зарядов. Этот процесс играет важную роль в коллоидной плазме [7], однако его проявления в пылевой плазме можно ожидать лишь при наличии каких-то дополнительных механизмов зарядки макрочастиц.

    Литература
  1.Цытович В.Н, УФН, 1997, 167, 57
  2.Vladimirov S., Nambu M., Phys. Rev. E, 1995, 52, 2172
  3.Melanso F., Goree J., J. Vac. Sci. Technol. A, 1996, 14, 511
  4.Игнатов А.М. , Физика плазмы, 1996, 22, 648
  5.Дубинов А.Е. и др.. Краткие сообщ. физ., 1997, №7
  6.Fortov V.E. et al., Phys. Lett.A, 1997, 229,317
  7.Schram P., Trigger S., Contrib. Plasma Phys., 1997, 37, 251

Электромагнитное стимулирование атомных и ядерных процессов в лазерной плазме

В.С. Беляев, В.И. Арефьев

Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Российского Космического агентства

    Представлены основные результаты исследований по стимулированию атомных и ядерных процессов сверхсильными электромагнитными полями генерируемые в лазерной плазме. Показано, что трансформация таких полей атомными структурами приводит к созданию волнового коллапса с сильным воздействием на ядра. Уникальность процессов в лазерной плазме, образованной воздействием на мишень высокоинтенсивного лазерного излучения сверхкороткой длительности вызывает ряд специфических эффектов воздействия на атом и ядра, характер этого воздействия существенно отличается от воздействия электромагнитного излучения на голые ядра При определенных условиях атом становится элементом, эффективно трансформирующим энергию падающего излучения в потоки радиации, локализованные на размерах близких к размеру ядра и способные стимулировать ядерные процессы. Это является основой возможности реализации контролируемого электромагнитного стимулирования атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.
    Исследованы процессы внутренней и внешней конверсии - прямой передачи энергии возбужденного ядра атомным электронам и электронам плазмы. Рассмотрены процессы образования в лазерной плазме ориентированных ядер, процессы стимулированной искусственной радиоактивности и др. Дается описание лазерного стенда, обеспечивающего проведение экспериментов по данному направлению при интенсивности более 1016 Вт/см2 при длительности импульса порядка пикосекунды Приведены результаты экспериментов, согласующиеся с разработанной теоретической моделью.

Эксперименты по ЛТС на установках "ИСКРА-4" и "ИСКРА-5"

Г.Г. Кочемасов

Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

    Представлен обзор экспериментов на установках "ИСКРА", выполненных по программе ЛТС в 1997 году Рассмотрены результаты и интерпретация экспериментов :

СФЕРИЧЕСКИЕ ТОКАМАКИ. КОНЦЕПЦИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПРОЕКТЫ

Гусев В.К., Голант В.Е., Сахаров Н.В.

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия

    В докладе обсуждаются основные особенности сферических токамаков ( А = R/a і 1.5). Среди них - сильная тороидальность, способность удерживать большой ток плазмы в умеренном магнитном поле, высокие значения бета тороидального и другие факторы, благоприятствующие реализации концепции улучшенного токамака, работающего в непрерывном режиме. Приводятся характеристики основных действующих и сооружаемых сферических токамаков. Кратко изложены результаты экспериментов на действующих установках и основные задачи для строящихся. Обсуждаются особенности дополнительного нагрева и генерации токов увлечения, а также новые предложения в этой области. Представлены основные физические и технические характеристики сферического токамака ГЛОБУС-М, вводимого в эксплуатацию в 1998 году, и сформулированы основные задачи проекта.