Конечная цель процессов в термоядерных установках— накопление плазмы (ионов водорода) высокой температуры (энергии), которая достаточна для осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза. Для этого применяют установки типа стеллараторов, токамаков, адиабатических ловушек со специальной конфигурацией магнитного поля, препятствующей уходу ионов. Однако неустойчивости приводят к распаду плазмы, к потере энергии ионами. Эти потери зависят от степени вакуума. Отвод энергии связан, например, с перезарядкой: ион высокой энергии отдает заряд нейтральному атому и уходит, не удерживаясь полем. Кроме того, имеют место лучевые потери: водород плохо излучает энергию, но если появляются тяжелые примеси (загрязнения со стенок), то они воспринимают энергию от ионов водорода и сильно излучают ее. Поэтому в термоядерных установках требуется не только определенное разрежение, но и соответствующая чистота вакуума от примесей [144, 145].
В России в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова создана установка «Огра 1» (рис. 87) [146]. Основной вакуумный объем ее имеет форму цилиндра диаметром 1,4, длиной 16 м. Испарители титана жидкофазного типа с электроннолучевым нагревом запыляют внутреннюю поверхность «Огры» и обеспечивают полную быстроту откачки порядка 105 л/сек. Испаритель представляет собой штабик титана диаметром 20 мм, вводимый внутрь камеры через охлаждаемый тигель с автоматической подачей. На поверхность титана фокусируется электронный луч, обеспечивающий скорость испарения до 100 мгДмин- см2). Расчеты показывают, что для обеспечения необходимой кинетики накопления плазмы разрежение в «Огре» составляет 3-10-9 тор. В «Огре I» инжектируется пучок молекулярных ионов Н2+, при токе инжекции 100 ма необходимая быстрота откачки составляет 6-106 л]сек.
После открытия низкотемпературной сорбции были разработаны для «Огры» азотиты — медные цилиндры, на которые напыляется титан. Азотиты охлаждаются жидким азотом. Внутрь камеры был помещен жаропрочный вкладыш, прогреваемый до 500° С током до 5-Ю3 а.
На рис. 88 показана вакуумная схема «Огры I». Азотиты обеспечивают быстроту откачки несколько миллионов литров в секунду по газам Н2, N2, СО; неконден-сируемые газы откачиваются ртутными агрегатами с быстротой около 1000 л/сек. В промежуточном объеме вакуум 10~6 тор. После включения испарителей титана во вкладыше достигается устойчивый вакуум (1—3) X ХИН9 тор, образованный аргоном и СО (М=28). Было получено также давление 2-Ю-10 тор. Ввод пучка Н2 повышает давление на 10-10 тор/ма.
Вдоль «Огры I» зажигали литиевую дугу для диссоциации молекул на ионы. Дуга дает дополнительную ионную откачку в результате переноса ионов вдоль магнитных линий к катодному торцу, где ионы откачиваются торцовым азотитом. При токе дуги 100 а быстрота откачки достигает Ю5—106 л/сек по водороду. При включенной дуге без инжекции в камере зарегистрировано рекордно низкое давление 10-10 тор в объеме более 27 -м3.
Для накопления плотной горячей плазмы методом инжекции быстрых нейтральных атомов разработана установка «Огра II» (рис. 89) [147, 148]. Критическое разрежение, необходимое для успешного накопления, составляет Ю-9 тор. Область накопления плазмы простреливается пучком атомов из инжектора с давлением 10~5 тор. Инжектор ионов Н2+ откачивается двумя агрегатами РВА-6-1 с общей быстротой откачки 7 • 103 л/сек. По пути в камеру ионы нейтрализуются. Быстрые атомы ионизуются в ловушке и захватываются, а незахваченные поглощаются в приемнике атомов, который откачивается агрегатом РВА-6-3 (2-Ю3 л/сек) и азотитом (2-Ю5 л/сек). Между приемниками атомов и ионов расположены камеры дифференциальной откачки с диафрагмами и азотитами, обеспечивающие перепад давлений в 106 раз.
туры 400° С. Равновесное предельное давление в камере менее 10-10 тор. Полное давление в процессе инжекции составляет 10-9 тор, что соответствует времени жизни плазмы 800 мсек.
На «Огре I» и «Огре II» при измерении натекания применяли измерители парциальных давлений. На рис. 90 приведены кривые натекания, снятые в «Огре II»
Основная камера «Огры II» имеет вкладыш — азотит в форме двухсекционного цилиндра, залитого жидким азотом; диаметр вкладыша 66 см. В промежуточном объеме давление 10~6 тор. Вкладыш имеет четыре испарителя титана и прогревается током 4 ка до темперапри температуре азотитов —196° С. Кривая изменения суммарного давления состоит из двух участков. В течение первых 6 мин идет интенсивное газоотделение водорода. Далее давление возрастает линейно со временем. Этот рост определяется увеличением компонент с массами 28 (азот) и 32 (кислород), т. е. характеризует Поступление атмосферного воздуха во вкладыш и соответствует натеканию 5,6-10-4 л-мтор/сек.
На рис. 91 показано изменение давления во вкладыше «Огры I» при прогреве. Специальная программа
прогрева камеры и охлаждения азотитов позволила понизить давление во вкладыше до 10-11 тор. Давление 10-1° ТОр устойчиво поддерживалось в экспериментах с накоплением плазмы ежедневно по 10—12 ч в течение многих месяцев, каждый раз после 8-часового прогрева азотитов до 150° С с последующим охлаждением их жидким азотом и напылением 0,1 г титана на 1 м2 азотита [27].