Актуальность темы и степень ее разработанности
Интерес к мощным сильноточным разрядам с доминирующей ролью пинч-эффекта зародился в 50-х годах двадцатого века в связи с потенциальной возможностью освоения нового метода производства энергии - управляемого термоядерного синтеза. Первые экспериментальные исследования продольных разрядов, получивших название 7-пинчи, выявили основные проблемы такого подхода, среди которых наиболее принципиальной оказалась проблема устойчивости плазмы. Дальнейшее развитие разделило исследования на два направления, отличающиеся, в первую очередь, способом удержания плазмы. В квазистационарных системах, таких как токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки и т.п., удержание плазмы и ее стабилизация должны были обеспечиваться конфигурацией собственного и внешнего магнитных полей. Другое направление, являющееся по сути дела микровзрывом крупинки термоядерного топлива, опиралось на идею быстрого сжатия и нагрева вещества. Предполагалось, что сжатие и нагрев можно осуществить как с помощью мощных электронных, ионных или лазерных потоков, так и мощными импульсами тока (/-пинии). В таких схемах нагрев топлива осуществляется за счет ускорения вещества с последующей термализацией кинетической энергии либо в центре (сферическая геометрия), либо на оси системы (цилиндрическая геометрия). Температура плазмы в финальной стадии в первом приближении определяется финальной скоростью сжатия г: Т « V2. Время удержания плазмы определяется скоростью разлета сформированной плазмы и ее радиусом. Такой подход получил название инерциального термоядерного синтеза (ИТС).
Сжатие вещества мощными импульсами тока (собственным магнитным полем) сопровождается развитием магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, наиболее разрушительными из которых являются неустойчивости рэлей- тейлоровского (РТ) типа. Как известно, интегральные инкременты неустойчивости Рэлея-Тейлора определяются ускорением д и длительностью процесса 7. Задаваясь постоянным значением температуры плазмы, и, полагая скорость сжатия можно получить Г «77. То есть, сокращение времени сжатия плазмы является стабилизирующим фактором по отношению к развитию РТ неустойчивостей.
Имеющийся к настоящему времени уровень развития мощной импульсной техники демонстрирует возможность создания в ближайшие годы сверхмощных импульсных генераторов тока с амплитудой 50:70 МА и временем нарастания 100:200 нс. Генераторы такого уровня позволят проводить пороговые эксперименты по реализации инерциального управляемого синтеза (ИТС) на основе плазменных лайнеров (быстрых 7-пинчей). Ключевыми вопросами ИТС на быстрых 7-пинчах являются следующие - компактность сжатия и эффективность конверсии энергии генератора в мягкое рентгеновское излучение в схеме с облучением мишени импульсом, генерируемом при сжатии пинча, и устойчивость сжатия исходно металлического лайнера в схеме с квазиадиабатическим нагревом топлива. Сопутствующими актуальными вопросами являются вакуумная изоляция магнитоизолированных передающих линий (МИПЛ) и развитие диагностических методик регистрации формирования и сжатия плазмы лайнера. МИПЛ должна обеспечивать эффективную доставку энергии от генератора к пинчу, причем как в пространственной области высоких электрических полей, где нарушение изоляции обусловлено взрывной электронной эмиссией, так и в области высоких магнитных полей, при мегагауссных значениях индукции которых возможен «скиновой» электрический взрыв поверхности электродов. При амплитуде тока 50 МА индукция магнитного поля не только на поверхности плазменного лайнера, но и на поверхности электродов вакуумной передающей линии радиусом менее 5 см превышает 200 Тл. В таких полях за счет скинового электрического взрыва должно происходить плазмообразование на поверхности. В результате возможно перекрытие зазора расширяющейся плазмой и снижение эффективности транспортировки энергии к лайнеру.
Полученные в экспериментах с одновитковыми соленоидами и в экспериментах по магнитной кумуляции данные охватывают диапазон времен нарастания индукции от единиц до десятков микросекунд. Анализ этих экспериментальных данных, их сравнение с рядом расчетных моделей показывают, что индукция магнитного поля, при которой следует ожидать скинового взрыва проводника, составляет 300:400 Тл, что соответствует объемной плотности магнитной энергии порядка энергии сублимации. Вместе с тем, четкий критерий поверхностного взрыва и/или поверхностного плазмообразования для различных металлов в настоящее время отсутствует. Также спорным является вопрос о влиянии скорости нарастания магнитного поля на скиновый взрыв проводника.
