Avaa ansoja

Avoimet ansat ovat yksi lämpöydinplasman magneettisen eristämisen tyypeistä. Avoimilla ansoilla on useita tärkeitä etuja muihin suojajärjestelmiin verrattuna: ne ovat houkuttelevia suunnittelun näkökulmasta; ne käyttävät tehokkaasti plasmaa rajoittavaa magneettikenttää; ne mahdollistavat työskentelyn paikallaan olevassa tilassa; ne ratkaisevat ongelman, joka liittyy lämpöydinreaktiotuotteiden ja raskaiden epäpuhtauksien poistamiseen plasmasta suhteellisen yksinkertaisella tavalla. Kuitenkin pitkään uskottiin, että avoimien loukkujen mahdollisuudet lämpöydinreaktorin perustana ovat epäilyttäviä, koska plasman hävikki on liian korkea magneettikenttälinjoja pitkin. Tilanne on muuttunut parempaan vasta viimeisen vuosikymmenen aikana, jolloin avoloukkuihin on ehdotettu useita parannuksia, jotka ovat suurelta osin poistaneet tämän epäkohdan. Katsauksessa hahmotellaan uudentyyppisten avoloukkujen fysikaaliset periaatteet (ambipolaariset, keskipakois-, monipeili-, kaasudynaamiset jne.), kuvataan niiden tutkimuksen nykytilaa ja tehdään ennusteita näiden järjestelmien tulevaisuuden näkymistä. Mahdollisuuksia käyttää avoimia ansoja suurvuon neutronigeneraattoreina, joiden energia on 14 MeV, pohditaan. Il. 29. Bibliografia. viitteitä 97 (102 nimikettä).

Ydinfysiikan instituutin (INP) tutkijat ovat saavuttaneet vakaan plasman kuumenemisen 10 miljoonaan celsiusasteeseen, NSN raportoi INP:n tutkimuksen apulaisjohtaja Alexander Ivanov. Tiedemies selitti, mitä näkymiä tämä kehitys avaa ja miksi se periaatteessa eliminoi radioaktiivisen jätteen syntymisen.

- BINP alkoi pohtia vaihtoehtoja avoimeen ansaan perustuvan lämpöydinjärjestelmän luomiseksi. Mitä tämä tarkoittaa?

Jos puhumme plasman lämmittämisestä 10 miljoonalla astetta, meidän on muistettava, että tämä lämpötila on korkeampi kuin Auringon keskustassa. Tällaista kuumaa plasmaa ei tietenkään voida pitää jonkinlaisessa astiassa, jossa on materiaaliseinämät - vaikka ne olisivat hyvin paksuja, ne palavat silti. Tämän välttämiseksi, eli kuuman plasman säilyttämiseksi, on ainakin kaksi tapaa.

Ensimmäinen on, kun plasma asetetaan vahvaan toroidiseen magneettikenttään, joka muuttaa plasmahiukkasten liikerataa, minkä jälkeen ne alkavat liikkua magneettikenttälinjojen ympärille kierretyissä ympyröissä. Tässä tapauksessa plasma ei liiku magneettikentän poikki, mikä ei aiheuta lämpövirtausta. Tämä periaate on perusta tokamak-asennuksille, jotka ovat "donitsin" muotoisia ja joiden sisällä on magneettikenttä ja joita on maassamme ehdotettu plasman magneettiseksi rajoittamiseksi hallittua lämpöydinfuusiota varten. Nämä asennukset ovat nyt johtavia ideoiden kilpailussa auringon luomisesta maan päälle.

On olemassa toinen järjestelmä. Yksinkertaisesti sanottuna tämä on pitkä avoin loukkuputki, jossa on pitkittäinen magneettikenttä, jossa plasma ei kosketa seinään, mutta leviää suhteellisen vapaasti pitkin ja osuu päätyseiniin. Näissä ansoissa olemme oppineet tekemään niin, että lämpöhäviö magneettikentässä vähenee huomattavasti verrattuna plasman vapaaseen laajenemiseen.

- Kuinka kaukana olemme lämpöydinreaktorin luomisesta?

On reaktoreita, joiden toimintaperiaate perustuu tokamakeihin, toiset avoimiin ansoihin, ja on myös esimerkiksi pulssijärjestelmiä, joissa tritium-deuterium-polttoaineen pisara sytytetään laserilla ja se palaa sekunnin miljoonasosassa, tarjoaa energiaa.

Mitä tulee tokamakkeihin, Ranskassa käynnistetään 10 vuoden kuluttua suuri ITER-reaktori - erittäin monimutkainen syklooppirakenne, jossa demonstroidaan lämpöydinplasman palamista. Lisäksi lämpötila siellä on noin 10 kertaa korkeampi kuin mitä voimme tällä hetkellä saada avoimissa ansoissa.

Mutta siitä huolimatta 10 miljoonan asteen lämpötilassa voidaan tehdä erittäin hyödyllisiä asioita - erityisesti erittäin voimakas neutronilähde, jota tarvitaan esimerkiksi tulevan lämpöydinreaktorin materiaalien testaamiseen. (Tokamakkien seinät altistuvat testauksen aikana erittäin voimakkaalle neutronivirralle ja tutkijat pystyvät siten täysin simuloimaan tilannetta.) Neutronilähteitä voidaan käyttää myös alikriittisten fissioreaktorien ajureina - ne laitetaan sisään. kerroinvahvistuksella toimivan ydinreaktorin järjestelmän sisällä on pienempi kuin yksikkö. Tämä lisää huomattavasti alikriittisen järjestelmän turvallisuutta, mikä periaatteessa eliminoi Tšernobylin tyyppisten onnettomuuksien mahdollisuuden.

- Millaista läpimurtoa saavutuksesi on "täynnä"?

Nyt me venäläiset ydinalan asiantuntijat olemme saavuttaneet tason, jolla voimme alkaa suunnitella prototyyppejä niin tehokkaista neutronilähteistä. Jos katsomme pidemmällä aikavälillä, en näe mitään rajoituksia sille, että plasman kuumennuslämpötilaa ei nostettaisi 10 miljoonaan asteeseen, vaan vaikkapa 300 miljoonaan asteeseen.

Tämän lähtökohdan pohjalta me BINP:ssä pohdimme mahdollisuuksia luoda seuraavan sukupolven ansoja, joiden parametreja kasvatetaan merkittävästi. Ja harkitsemme vakavasti vaihtoehtoisen ITER-reaktorin luomista. Jos kaikki tämä onnistuu, avoimeen ansaan perustuva lämpöydinreaktorimme voi olla jopa kaupallisesti paljon houkuttelevampi kuin tokamakeihin perustuva, eikä Ranskaan syntyvä rakenne voi kilpailla sen kanssa teknisesti yksinkertaisuudessaan.

Olemme nyt saavuttaneet tason, jolla voimme alkaa suunnitella prototyyppejä tällaisista tehokkaista neutronilähteistä. Jos katsomme pidemmällä aikavälillä, en näe mitään rajoituksia sille, että plasman kuumennuslämpötilaa ei nostettaisi 10 miljoonaan asteeseen, vaan vaikkapa 300 miljoonaan asteeseen.

Tämän lähtökohdan pohjalta me BINP:ssä pohdimme mahdollisuuksia luoda seuraavan sukupolven ansoja, joiden parametreja kasvatetaan merkittävästi. Ja harkitsemme vakavasti vaihtoehtoisen reaktorin luomista. Jos kaikki onnistuu, avoimeen ansaan perustuva fuusioreaktori voi olla jopa kaupallisesti houkuttelevampi kuin tokamakkeihin perustuva.

- Avoimeen ansaan perustuvat reaktorit... millä muilla tavoilla ne ovat parempia kuin tokamaks?

Toivomme, että avoimiin ansoihin perustuvien reaktorien ilmaantuminen, jonka parissa työskentelemme, on mahdollista tietyllä kehityksellä. Niillä on tiettyjä etuja verrattuna tokamakeihin. Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä tarkoitan mahdollisuutta työskennellä lämpöydinpolttoaineella, joka joko ei tuota lainkaan neutroneja tai tuottaa vain vähän niitä, mikä ei ole täynnä radioaktiivisen jätteen pitkäaikaisen varastoinnin ja loppusijoituksen ongelmaa.

Huomattakoon, että Ydinfysiikan instituutti on jo ilmoittanut suunnitelmistaan ​​kehittää vaihtoehtoinen ITER-reaktori. Instituutti suunnittelee saavansa päätökseen teknisen ja taloudellisen perustan vaihtoehtoisen reaktorin prototyypin hankkeelle koodinimellä GDML (Gas Dynamic Trap).

Avoimeen loukkuun perustuvan lämpöydinreaktorin suunnittelun fyysinen perusta

Nimetty ydinfysiikan instituutti. SB RAS, Novosibirsk, RF, *****@***ru
*Novosibirsk State University, Novosibirsk, Venäjän federaatio
**Novosibirskin valtion teknillinen yliopisto, Novosibirsk, Venäjän federaatio

Uuden tyyppisten avoimien akselisymmetristen ansojen, joissa on tiheä plasma ja pitkittäishäviöiden monipeilisuppressio (GDMLS), kehittämisen yhteydessä kiinnostavat arviot siitä, miltä niihin perustuva termoydinreaktori voisi näyttää. Erityisesti on arvioitava, voidaanko siinä saavuttaa sytytys, millä polttoainesykleillä se voisi toimia ja missä olosuhteissa, sen koko, teho ja muut ominaisuudet verrattuna ITER-tyyppisen tokamak-reaktorin ominaisuuksiin. Tällaisten arvioiden avulla voidaan määrittää kehityssuunta, jossa avoimet ansat säilyvät kilpailukykyisinä verrattuna tokamakeihin fuusioreaktorina. Tämän työn toinen tavoite on tarkastella fysikaalisia ja teknisiä ongelmia, jotka liittyvät plasman sulkemiseen erityyppisissä ansoissa, ja kuinka ne ratkaistaan ​​järjestelmissä, kuten HDML.

Katsaus osoittaa, että loukun voidaan katsoa koostuvan kahdesta osajärjestelmästä - keskiytimestä ja järjestelmistä reunojen pitkittäishäviöiden vaimentamiseksi. Keskimmäisen aktiivisen vyöhykkeen tulisi olla pitkä peilikammio, jossa on lähes yhtenäinen kenttä ja pieni peilisuhde, joka on luokkaa 1,5. Tämä johtuu siitä, että rajoittavan magneettikentän ja siten plasman tiheyden kasvattaminen osoittautuu paljon kannattavammaksi kuin peilisuhteen lisääminen. Samanaikaisesti suprajohteiden tekniset ominaisuudet rajoittavat saavutettavaa maksimikenttää. Alhaalta katsottuna magneettipeilin suhdetta rajoittaa vaatimus säilyttää suurin osa varautuneista reaktiotuotteista. Kuten GDL-ryhmän työ osoittaa, tällaisessa magneettisessa konfiguraatiossa on mahdollista sisältää plasma, jolla on korkea b~0,6, pienillä poikittaishäviöillä. Ydin voidaan sulkea kahdella tyyppisellä pitkittäishäviön vaimennusjärjestelmällä - ambipolaarisella ja monipeilisellä, ja nämä periaatteet voidaan yhdistää yhteen laitteeseen. Tässä tapauksessa sähköstaattinen potentiaali pidättää joka tapauksessa kuuman elektronisen komponentin ja päätylevyistä tulevat kylmät elektronit lukittuvat laajentimiin Jushmanov-potentiaalin avulla. Tätä menetelmää testattiin myös GDL-asennuksessa. Lisäksi voidaan käyttää lämpöesteitä. Tarkastellaan erilaisten pitkittäisten pidätysjärjestelmien tehokkuutta. Poikittaishäviön tulisi optimaalisessa konfiguraatiossa olla puolet kokonaishäviöstä. Tällä ehdolla, kun järjestelmää optimoidaan koko pituudelta, ne vaikuttavat vain plasman säteeseen ja reaktorin tehoon. Syttymis- ja vakaan tilan palamisen olosuhteet (ottaen huomioon palamistuotteiden kertymisestä johtuvat plasman koostumuksen muutokset) reaktoreissa, jotka perustuvat kuvattuun kaavioon polttoainejaksoilla D-T, D-D ja D-He3, otetaan huomioon. Sytytys- ja palamisrajat saadaan lämpötilan yhdistelmällä bBm2kL, jossa Bm on suurin magneettikenttä (ensimmäisessä pistokkeessa), k on loppujärjestelmän vaimennuskerroin, L on aktiivisen alueen pituus. Arviot reaktorin koosta ja tehosta saatiin olemassa olevilla teknisillä rajoituksilla ja skaalauksella. Avoimeen ansaan perustuvan D-T-reaktorin minimiteho ja sen hinta voivat olla suuruusluokkaa pienempiä kuin ITERin kaltaisissa järjestelmissä.

Kirjallisuus

Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. et ai. julkaisussa Fusion for Neutrons and Subcritical Nuclear Fission", AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, s. 147

Fuusioloukku

Ydinfysiikan instituutti, kuten kaikki Venäjän tiedeakatemian Siperian sivuliikkeen laitokset, on suhteellisen nuori: vuonna 2008 se on vain 50 vuotta vanha - sama kuin sen työntekijöiden keski-ikä. On ilahduttavaa huomata, että BINP:hen on viime aikoina ilmestynyt monia jatko- ja perustutkinto-opiskelijoita, jotka suunnittelevat jatkavansa tieteellistä tutkimustaan ​​sen seinien sisällä. Tiedetään, että nykyajan nuoria vetää sinne, missä on mielenkiintoista, missä on kasvunäkymät. Ja INP:llä on epäilemättä tällaisia ​​näkymiä. On myös korostettava, että monimutkaisimpien nykyaikaisten kokeiden suorittaminen ei vaadi yhden henkilön ponnisteluja, vaan voimakkaan samanmielisten ihmisten ryhmän. Siksi uusien voimien tulva on niin tärkeää instituutille...

Plasma on mystinen asia,
joilla on itseorganisoitumisen ominaisuus

Plasma on täysin tai osittain ionisoitunut kaasu, jossa hiukkasten negatiivinen kokonaisvaraus on yhtä suuri kuin positiivinen kokonaisvaraus. Ja siksi se on yleensä sähköisesti neutraali väliaine tai, kuten fyysikot sanovat, sillä on kvasineutraaliuden ominaisuus. Tätä aineen tilaa pidetään neljännenä (kiinteän, nestemäisen ja kaasumaisen) aggregaattitilana, ja se on normaali olemassaolomuoto 10 000 celsiusasteen ja sitä korkeammissa lämpötiloissa.

Tätä luonnon epätavallista aineen tilaa on tutkittu yli vuosisadan ajan. 1900-luvun toiselta puoliskolta lähtien "yleinen suunta" on ollut itseään ylläpitävän kontrolloidun termoydinfuusioreaktion (CTF) toteuttaminen. Korkean lämpötilan plasmahyytymät ovat hyvin yleisiä universumissa: mainitse vain aurinko ja tähdet. Mutta maan päällä sitä on hyvin vähän. Kosmiset hiukkaset ja aurinkotuuli ionisoivat Maan ilmakehän kuoren ylemmän kerroksen (ionosfäärin), ja tuloksena oleva plasma jää maan magneettikenttään. Toisin sanoen se on eräänlainen maallinen magneettiloukku. Auringon lisääntyneen aktiivisuuden aikoina aurinkotuulen varautuneiden hiukkasten virtaus muuttaa planeetan magnetosfääriä. Hydromagneettisten epävakauksien kehittymisen vuoksi plasma tunkeutuu ylempään ilmakehään napojen alueella - ja ilmakehän kaasut, jotka ovat vuorovaikutuksessa varautuneiden plasmahiukkasten kanssa, virittyvät ja vapautuvat. Tämä on vastuussa revontulien ilmiöstä, joka voidaan havaita vain napoilla.

Plasmafysiikan tutkimuksen "yleisen suunnan" ohella on muita, ei vähemmän tärkeitä, sovellettavia. Tämä on johtanut lukuisten uusien teknologioiden syntymiseen: plasmaleikkaus, hitsaus ja metallin pintakäsittely. Plasmaa voidaan käyttää työnesteenä avaruusalusten moottoreissa ja loistelampuissa valaistukseen. Plasmateknologian käyttö on aiheuttanut todellisen vallankumouksen mikroelektroniikassa. Sen lisäksi, että prosessorin suorituskyky on kasvanut merkittävästi ja muistikapasiteetti on lisääntynyt, myös tuotannossa käytettyjen kemikaalien määrä on vähentynyt merkittävästi - näin ympäristövahinkojen taso on minimoitu.

Tiheää korkean lämpötilan plasmaa on vain tähdissä, maapallolla sitä voidaan saada vain laboratorio-olosuhteissa. Tämä epätavallinen aineen tila hämmästyttää mielikuvitusta suurella määrällä vapausasteita ja samalla kykyä organisoida itseään ja reagoida ulkoisiin vaikutuksiin. Esimerkiksi plasmaa voidaan pitää magneettikentässä, jolloin se saa eri muotoja. Se pyrkii kuitenkin hyväksymään sille energeettisesti edullisimman tilan, joka usein johtaa erilaisten epävakauksien kehittymiseen, ja elävän organismin tavoin irtautumaan magneettiloukun jäykästä "häkistä", jos tämä ansa ei sovi sille. Siksi fyysikkojen tehtävänä on luoda sellaiset olosuhteet, että plasma on vakaa, "elää" ansassa pitkään ja rauhallisesti ja lämpenee noin 10 miljoonan celsiusasteen lämpöydinlämpötiloihin.

Nykyään BINP:ssä toimii menestyksekkäästi kaksi ainutlaatuista suurta plasmaloukkua, jotka syntyivät instituutin seinien sisällä syntyneiden alkuperäisten ideoiden ja periaatteiden käytännön soveltamisesta. Nämä ovat avoimen tyyppisiä ansoja, jotka eroavat merkittävästi suosituista suljetuista magneettijärjestelmistä. Ne hämmästyttävät salaperäisellä loistollaan ja samalla helppokäyttöisyydellään. Koko laitoksissa tehdyn työhistorian aikana tutkijat ovat saaneet tärkeitä tuloksia lämmittämällä ja sulkemalla tiheän kuuman plasman sekä tekemään useita löytöjä, jotka liittyvät tämän neljännen aineen perusominaisuuksiin. Joka vuosi esitti jotain uutta ja epätavallista jossain tai toisessa elämän olosuhteissa ansoissa muutettaessa magneettikentän konfiguraatiota, luotaessa sähkökenttiä, lisättäessä erilaisia ​​​​epäpuhtauksia sekä ruiskutettaessa voimakkaita säteitä plasmaan ja "tutkittaessa" plasmaa erilaisilla diagnosoinneilla. Ja plasma, "reagoi" sellaisiin toimiin, vaikkakin vastahakoisesti, jakoi syvimmät salaisuutensa tutkijoille...

Kaasun dynaaminen loukku (GDT)

Novosibirskin ydinfysiikan instituutissa vuonna 1986 luotu GDL-installaatio kuuluu avoimien ansojen luokkaan ja toimii plasman sisällä magneettikentässä.

Magneettikentän konfiguraatio klassisessa avoimessa aksiaalisesti symmetrisessä loussa on tasaisen magneettikentän pitkänomainen alue, jonka reunoissa on maksimit, jotka saavutetaan käyttämällä vahvan magneettikentän rengaskeloja. Näiden kelojen alla olevia alueita (neitä tilan alueita, joissa magneettikenttä saavuttaa maksimiarvonsa) kutsutaan yleensä "magneettipistokkeiksi", ja tämän periaatteen mukaisesti järjestettyä ansaa kutsutaan "peilikennoksi". Yksinkertaisimmassa tapauksessa peilikennon magneettikenttä muodostuu vain magneettipeileistä.

Varautuneet plasmahiukkaset (negatiiviset elektronit ja positiiviset ionit) liikkuvat magneettikenttäviivoja pitkin magneettipeilien välillä heijastuen niistä ja suorittaen siten värähteleviä liikkeitä. Hiukkaset, joiden kineettinen energia riittää voittamaan tulpan potentiaaliesteen, poistuvat ansasta yhdellä lennolla.

Yllä kuvatut erot kaasudynaamisen erottimen (GDT) ja tavanomaisen peilikennon välillä ovat homogeenisen kenttäosan suuri laajuus loukun keskellä ja erittäin suuri "peilisuhde" (suhde R = B 1 /B 2 magneettikentän arvoista peilissä ja loukun keskellä). Tässä konfiguraatiossa ionien keskimääräinen vapaa reitti on pieni verrattuna tasaisen magneettikentän osan pituuteen, joten plasman ulosvirtaus laitteistosta tapahtuu kaasudynamiikan lakien mukaisesti, samalla tavalla kuin kaasun ulosvirtaus tyhjiö astiasta, jossa on pieni reikä, mikä selittää asennuksen nimen. Tekemällä magneettipeilien "reiät" hyvin pieniksi ja plasman viemä tilavuus suureksi, on mahdollista saavuttaa plasman sulkemisaika, joka on riittävä kontrolloidun lämpöydinreaktion suorittamiseen. Totta, tällaisen peilireaktorin pituus on useita kilometrejä. Erilaisten laitteiden, niin kutsuttujen ambipolaaristen tulppien, käyttö, jotka vähentävät plasmavirtausta pistokkeisiin, pienentää kuitenkin loukun pituutta kohtuullisiin rajoihin. Siksi tällaisen loukun reaktorinäkymät ovat edelleen houkuttelevia. Plasmarajoitusjärjestelmän lupaavin lämpöydinsovellus on GDT:hen perustuvan yksinkertaisen ja luotettavan lähteen luominen nopeille neutroneille, joiden energia on 14 MeV ja jotka syntyvät deuterium- ja tritiumytimien fuusioreaktiossa. Itse asiassa tämä on sama lämpöydinreaktori (vain alhaisella hyötysuhteella), joka kuluttaa energiaa ja tuottaa neutroneja. Tällaisella neutronigeneraattorilla voidaan tehdä materiaalitieteellisiä testejä tulevan teollisen lämpöydinreaktorin ensimmäiselle seinälle tai syöttää fissioreaktoriin matalaenergisiä neutroneja, mikä tekee nykyaikaisesta ydinvoimasta turvallista. Kaasudynaamiseen ansaan perustuvaa neutronilähdeprojektia on kehitetty jo vuosia Ydinfysiikan instituutissa. Teorian ennusteiden testaamiseksi käytännössä ja tietokannan keräämiseksi neutronilähteen luomiseksi, ydinfysiikan instituuttiin SB RAS luotiin kokeellinen malli kaasudynaamisesta ansasta - GDL-installaatiosta.

Tällä hetkellä kansainvälinen tiedeyhteisö, joka käsittelee CTS-ongelman ratkaisua, on alkanut rakentaa suurinta tokamak-tyyppistä plasmaloukkua nimeltä ITER. Tulevina vuosikymmeninä ITERin pitäisi osoittaa mahdollisuus käyttää itseään ylläpitävää kontrolloitua lämpöydinvoimalaa, joka perustuu deuteriumin ja tritiumin fuusioreaktioon.
On kuitenkin selvää, että tulevaisuuden lämpöydinenergian jatkokehittämiseksi ja vuosikymmeniä ja jopa vuosisatoja toimivien asemien rakentamiseksi on nykyään tarpeen valita luotettavat materiaalit, jotka kestävät voimakkaita neutronivirtoja koko käyttöikänsä ajan. . Tällaisten materiaalien testaamiseen tarvitaan tehokas neutronilähde. BINP on kehittänyt hanketta tällaiselle lähteelle GDL:n pohjalta useiden vuosien ajan.
Kaikkia fysikaalisia periaatteita, jotka ovat kompaktin ja suhteellisen edullisen avoimeen kaasudynaamiseen ansaan perustuvan neutronilähteen taustalla, tutkitaan parhaillaan todellisessa kokeessa plasman kerääntymisestä, sulkemisesta ja lämmittämisestä GDT-laitteistossa. Deuteriuminjektiokokeissa tehdään jo nykyään suoria mittauksia emittoituneesta neutronivuosta. Deuterium-deuterium-fuusioreaktio annetuilla koeparametreilla tuottaa yleensä pienen virtauksen verrattuna deuterium-tritium-reaktioon. Mutta mallilaskelmien tarkistamiseen, joita on tarkoitus käyttää tulevaisuudessa lähdereaktorin laskelmiin, ne ovat varsin riittäviä. Tänä joulukuussa asennus täyttää 22 vuotta: ensimmäinen plasma saatiin vuoden 1985 lopulla. Sen rakentajat ja lanseeraajat työskentelevät laboratoriossa vielä tänäkin päivänä.
Mutta tiimi on myös täydennetty uusilla, nuorilla ja energisillä työntekijöillä: osa heistä on samanikäisiä kuin itse GDL-installaatio

Pääosa asennuksesta on 7 m pitkä aksisymmetrinen peilikenno, jonka keskellä on 0,3 T kenttä ja pistokkeissa jopa 10 T, joka on suunniteltu sisältämään kaksikomponenttinen plasma.

Yhden komponentin - lämpimän "kohdeplasman" - elektronien ja ionien lämpötila on jopa 100 eV (tämä on noin 1 200 000 celsiusastetta) ja tiheys ~ 5 10 19 hiukkasta kuutiometrissä. Tälle komponentille on tunnusomaista edellä kuvattu kaasudynaaminen rajoitustila. Toinen komponentti on nopeat ionit, joiden keskimääräinen energia on ~ 10 000 eV ja tiheys jopa 2 10 19 hiukkasta kuutiometrissä. Ne muodostuvat ionisaation seurauksena voimakkaiden atomisäteiden kohdeplasmassa, jotka ruiskutetaan vinosti ansaan erityisillä laitteilla - neutraaleilla atomiinjektoreilla. Tälle nopealle komponentille on tunnusomaista sama rajoitustila kuin klassisessa peilikennossa: nopeat ionit liikkuvat magneettisilla kiertoradoilla magneettikenttälinjoja pitkin ja heijastuvat vahvan magneettikentän alueelta. Tässä tapauksessa nopeat ionit hidastuvat vuorovaikutuksessa kohdeplasman hiukkasten (pääasiassa elektronien) kanssa ja lämmittävät sen 100 eV:iin tai korkeampaan. Vinoinjektiolla ja hiukkasten pienellä kulmasironnalla nopeiden ionien tiheys osoittautuu vahvasti huipuksi (suuriksi) lähellä heijastusaluetta, ja tämä seikka on houkuttelevin neutronilähteen toteuttamiselle. Tosiasia on, että fuusioreaktion neutronivirta on verrannollinen deuterium- ja tritium-ionien tiheyden neliöön. Ja siksi tällaisella tiheysvalolla se keskittyy vain pysähdysalueelle, jossa "testialue" sijaitsee. Muualla asennustilassa on paljon pienempi neutronikuorma, mikä eliminoi generaattorin kaikkien komponenttien kalliin neutronisuojauksen tarpeen.

Tärkeä ongelma luotaessa aksiaalisesti symmetriseen peilikennoon perustuvaa reaktoria ja neutronilähdettä on plasman stabilointi magneettikentän poikki. GDT-järjestelmässä tämä saavutetaan erityisten lisäosien ansiosta, joiden magneettikenttäprofiili on stabiili ja jotka sijaitsevat magneettitulppien takana ja varmistavat luotettavan plasmastabiloinnin.

Toinen avoimiin loukkuihin perustuvan kontrolloidun lämpöydinfuusion (CTF) tärkeä ongelma on plasman lämpöeristys päätyseinästä. Tosiasia on, että toisin kuin suljetut järjestelmät, kuten tokamak tai stellaraattori, plasma virtaa ulos avoimesta ansasta ja tulee plasmavastaanottimiin. Tässä tapauksessa plasmavastaanottimen pinnasta tulevan virtauksen vaikutuksesta emittoidut kylmät elektronit voivat tunkeutua takaisin ansaan ja jäähdyttää plasmaa suuresti. GDL-asennuksen pitkittäisrajoitusta tutkivissa kokeissa pystyttiin osoittamaan, että laajeneva magneettikenttä pistokkeen takana plasmavastaanottimen edessä päätysäiliöissä - laajentimissa - estää kylmien elektronien tunkeutumisen loukuun ja tarjoaa tehokkaan lämmöneristyksen. päätyseinästä.

GDL:n koeohjelman puitteissa tehdään jatkuvaa työtä nopeiden plasmahiukkasten stabiilisuuden, tavoitelämpötilan ja tiheyden lisäämiseksi; sen käyttäytymisen tutkimuksella laitoksen eri käyttöolosuhteissa jne. Myös perusominaisuuksien tutkimusta tehdään. On syytä korostaa, että plasmaan liittyvien tieteellisten kiinnostusten ja tutkimusten kirjo on erittäin laaja.

GDL-asennus on varustettu uusimmilla diagnostiikkatyökaluilla. Suurin osa niistä on kehitetty laboratoriossamme ja toimitetaan muun muassa sopimusperusteisesti muille plasmalaboratorioille, myös ulkomaisille.

GDT-laitoksessa tutkimusta tekevä tiedemiesten, insinöörien ja teknikkojen ryhmä on pieni, mutta uskomattoman pätevä. Kaikkien jäsenten korkea pätevyys auttaa heitä saavuttamaan korkeita tuloksia. Lisäksi tieteellinen työvoima täydentyy jatkuvasti "nuorella verellä" - Novosibirskin valtionyliopiston ja Novosibirskin valtion teknisen yliopiston valmistuneilla. Laboratoriossa käytännön harjoittelun suorittavat eri kurssien opiskelijat osallistuvat ensimmäisistä päivistä lähtien aktiivisesti kokeisiin ja myötävaikuttavat siten suoraan uuden tiedon luomiseen. Ensimmäisen työskentelyn jälkeen he jäävät harjoittelemaan laboratoriossa, puolustavat menestyksekkäästi tutkintonsa, siirtyvät tutkijakouluun ja valmistelevat kandidaatin väitöskirjoja. Emme salaa, että tämä tekee meistä, tieteellisistä johtajista, erittäin onnellisia.

Toinen ansa - "GOL-3" - ja hieman erilainen kulma lämpöydinfuusion suhteen

Ihmiskunnalla on pula sähköstä, ja lähitulevaisuudessa tästä ongelmasta tulee prioriteetti: polttoaineen - öljyn ja kaasun - varat, joita käytetään tärkeimmissä nykyaikaisissa voimalaitoksissa, ovat valitettavasti loppumassa. Siksi lämpöydinreaktoreista tulisi tulla tulevaisuuden sähkövoimateollisuuden perusta.

Termoydinreaktiot ovat kevyiden ytimien, kuten vetyisotooppien deuteriumin ja tritiumin fuusioreaktioita, jolloin vapautuu suuria määriä energiaa. Näiden reaktioiden suorittamiseksi tarvitaan korkeita lämpötiloja - yli 10 miljoonaa celsiusastetta. Tiedetään, että mistä tahansa aineesta, jonka lämpötila on yli 10 tuhatta celsiusastetta, tulee plasmaa. Kosketus kiinteään kappaleeseen johtaa välittömään jäähtymiseen ja kiinteän kappaleen pinnan räjähdysmäiseen tuhoutumiseen, joten plasma on eristettävä rakenteesta: tätä tarkoitusta varten se asetetaan magneettikenttään.

On äärimmäisen vaikeaa lämmittää ainetta valtaviin lämpötiloihin ja pitää sitä magneettikentässä pitkään - ja siksi monet asiantuntijat pitävät ohjattua lämpöydinfuusiota (CTF) vaikeimpana tehtävänä, jonka ihmiskunta on koskaan kohdannut.

Ydinfysiikan instituutin SB RAS:n GOL-3-asennus on suunniteltu lämmittämään ja sisältämään lämpöydinplasmaa usean peilin magneettikentässä. Asennus koostuu kolmesta pääosasta: U-2-kiihdytin, 12 metrin solenoidi (voimakkaan magneettikentän luomiseen tarkoitettu yksikkö) ja lähtöyksikkö.

Asennuksessa käytetty elektronisuihku on luotu maailman tehokkaimmalla (luokassaan) U-2:lla. Siinä elektroneja vedetään sähkökentällä räjähtävästä emissiokatodista ja kiihdytetään noin miljoonan voltin jännitteellä. 50 000 ampeerin virralla järjestelmän teho saavuttaa 50 GW. (Mutta koko Novosibirsk kuluttaa 20 kertaa vähemmän energiaa päiväsaikaan.) Noin 8 mikrosekunnin säteen kestolla se sisältää jopa 200 000 J energiaa (mikä vastaa käsikranaatin räjähdystä).

Pääsolenoidissa, kun säde kulkee deuteriumplasman läpi, jonka tiheys on n = 10 20 -10 22 hiukkasta kuutiometrissä, kaksivirtaisen epävakauden kehittymisen vuoksi syntyy suuri mikroturbulenssi ja säde häviää. 40 prosenttiin energiastaan ​​siirtäen sen plasmaelektroneihin. Lämmitysnopeus on erittäin korkea: 3-4 mikrosekunnissa plasmaelektronit kuumennetaan noin 2 000-4 000 eV:n lämpötilaan (23-46 miljoonaa celsiusastetta: 1 eV = 11 600 celsiusastetta) - tämä on avoimien ansojen maailmanennätys (vertailun vuoksi: USA:n 2XIIB-asennuksessa lämpötila ei ylittänyt 300 eV verrattuna 2 000-4 000 eV GOL-3:een).

Pääsolenoidin magneettikenttä on monipeili (55 peilikennoa), eli kentän maksimi (5 T) ja minimi (3 T) vuorottelee ja maksimien välinen etäisyys (22 cm) on luokkaa ionipolun pituus. Mihin tämä johtaa: jos ioni lähtee yhdestä peilikennosta ja lentää pitkin magneettikenttää, niin viereisessä peilikennossa se törmää toiseen hiukkaseen, minkä seurauksena naapuripeilikenno voi siepata sen ja sitten se "unohtaa" missä se lensi. Siten plasman laajeneminen ansasta hidastuu merkittävästi. Mutta kuuman plasman retentioaika GOL-3:ssa on jopa 1 millisekunti, jota voidaan pitää tutkijoiden kiistattomana saavutuksena.

Useat peilit johtavat epähomogeenisuuteen energiansiirrossa säteestä plasmaelektroneihin: missä magneettikenttä on voimakkaampi, elektronien kuumeneminen on voimakkaampaa. Säteellä lämmitettäessä korkea turbulenssitaso myötävaikuttaa sähköisen lämmönjohtavuuden voimakkaaseen (yli tuhatkertaiseen) tukahdutukseen, joten lämpötilan epähomogeenisuudet eivät tasaantu, ja tämän seurauksena plasman paineissa esiintyy suuria eroja: tästä syystä plasma alkaa liikkua kokonaisuutena. Korkeapaineisilta alueilta paineminimiin molemmilla puolilla alkaa liikkua kaksi vastaplasmavirtausta, jotka törmäävät ja lämpenevät 1-2 keV:n lämpötilaan (se on hieman korkeampi kuin Auringon keskustassa). Tämä nopea kuumennusmekanismi löydettiin GOL-3:sta neljä vuotta sitten kokeiden aikana. Teoriasta seurasi, että siihen pitäisi liittyä jyrkkiä plasman tiheyden hyppyjä, jotka havaittiin pian Thomsonin lasersäteen sironnan avulla.

Pääsolenoidin ohituksen jälkeen säde tulee ulostulosolmuun, joka pystyy vastaanottamaan tehokkaan elektronisäteen sekä plasmavirran tuhoutumatta. Tätä varten lähtösolmun magneettikentän on oltava divergentti, mikä vähentää säteen energiatiheyttä kertoimella 50, ja säteen vastaanottimen on oltava grafiittia. Grafiitin erikoisuus on ensinnäkin se, että siinä ei ole nestefaasia, se haihtuu välittömästi; toiseksi sillä on alhainen tiheys (2 g/cm 3 ), minkä vuoksi elektronialue siinä on suurempi kuin metalleissa, ja siksi energia vapautuu suuremmassa tilavuudessa eikä ylitä räjähdysmäisen tuhoutumisen kynnystä. grafiittia, ja siksi grafiitin eroosio on pieni - noin 1 mikroni laukausta kohti. Voimakkaan plasmavirtauksen läsnäolo laitoksen ulostulossa mahdollistaa kokeita materiaalien säteilyttämisestä tulevaisuuden lämpöydinreaktoreita varten: nämä reaktorit joutuvat alttiiksi niin suurille lämpökuormituksille, mikä on tällä hetkellä epärealistista saavuttaa muissa plasmaasennuksissa.

Toinen tärkeä tehtävä, joka voidaan ratkaista lähtösolmun avulla, on säteen kuljetuksen turvallisuuden varmistaminen pääsolenoidin kautta. Ongelman monimutkaisuus johtuu siitä, että säteen virta solenoidissa (30 kA) on suurempi kuin stabiilisuuskynnys (GOL-3-kameralle - 12 kA), joten säde on epävakaa ja voi sinkoutua seinään tai kammion sisäisiä rakenteita, mikä johtaa niiden tuhoutumiseen. Tätä tarkoitusta varten on ennen säteen injektointia lyötävä purkaus (salama) lähtösolmuun ja sitten pääsolenoidi täytetään suhteellisen kylmällä (useita eV) esiplasmalla, johon elektronisuihkun ruiskuttaessa vastavirta indusoituu ja se kompensoi täysin säteen virran, mikä yleensä varmistaa järjestelmän vakauden (kokonaisvirta ei ylitä 3 kA).

Yksi CTS:n vakavimmista ongelmista on plasman stabiilisuus, eli sellaisten olosuhteiden luominen, joissa plasma ei voinut poistua ansasta magneettikentän poikki erilaisten plasman epästabiiliuksien kehittymisen vuoksi. Avoimissa ansoissa vaarallisin on uran epävakaus. Sen olemus on, että plasma työntää magneettiset voimalinjat erilleen ja liukuu ulos niiden välistä. GOL-3-plasmassa tämä epävakaus vaimenee magneettikenttälinjojen siirtymisen vuoksi eri plasmasäteillä, mikä johtuu plasman virtojen monimutkaisesta konfiguraatiosta. Sädevirta kulkee plasman keskellä, ja siellä on myös korkea turbulenssi. Käänteinen virta virtaa plasman läpi, mutta keskellä olevan turbulenssin vuoksi sen vastus kasvaa - ja käänteinen virta kulkee plasmajohdon pintaa pitkin. Suoravirta muodostaa ympärilleen pyöreän magneettikentän, joka yhdessä solenoidin pitkittäiskentän kanssa muodostaa spiraalisen magneettikentän. Eri säteillä virta on erilainen (ja virtaa eri suuntiin) - siksi myös spiraalin nousu ja suunta ovat erilaisia. Siksi kun plasmaura työntää magneettikenttäviivoja erilleen yhdellä säteellä, se kohtaa kenttäviivat eri kulmassa eikä voi siirtää niitä erilleen - näin uran epävakaus vaimenee.

Kuuman plasman diagnosointi on myös vaikea tehtävä, eli sen lämpötilan, koostumuksen, tiheyden, magneettikentän voimakkuuden ja paljon muuta. Sinne ei voi laittaa lämpömittaria - se voi räjähtää - ja plasma jäähtyy. On tarpeen käyttää erilaisia ​​​​erikoismenetelmiä, jotka on jaettu passiivisiin ja aktiivisiin. Passiivisen diagnoosin avulla voit tutkia mitä plasma lähettää. Injektoi aktiivisten avulla plasmaan esimerkiksi laservaloa tai atomisäteitä ja katso mitä sieltä tulee.

Passiivista diagnostiikasta GOL-3-laitteisto käyttää fotoniilmaisimia ja spektrometrejä näkyvällä, ultravioletti-, röntgen- ja gamma-alueella, neutroniilmaisimia,ia, diamagneettisia antureita ja Rogowski-hihnoja. Aktiivisia ovat useat laserjärjestelmät, atomisädeinjektori ja solid-state-rakeiden injektori.

Vaikka tokamakit ovat nyt lähimpänä reaktoriparametreja (niillä on korkeampi lämpötila ja sulkuaika), GOL-3:n ansiosta myös monipeililoukkuja harkitaan fuusioreaktorin muunnelmana. Plasman tiheys GOL-3:ssa on lähes sata kertaa korkeampi kuin tokamakeissa keskimäärin, ja lisäksi, toisin kuin tokamakeissa, tässä asennuksessa ei ole plasman paineelle rajoituksia. Jos paine on verrattavissa magneettikentän paineeseen (5 T luo paineen noin 100 ilmakehää), niin ansa siirtyy "seinä" -rajoitustilaan - magneettikenttä työnnetään ulos plasmasta (koska plasma on diamagneettinen) keskittyy ja lisääntyy lähellä kammion seiniä ja pystyy silti pitämään plasmaa. Tällä hetkellä ei ole yhtä ainoaa syytä, joka rajoittaisi olennaisesti tärkeimpien lämpöydinparametrien (n, T ja rajoitusaika) kasvua monipeililoukuissa.

GOL-3:n asennustiimin päätehtävä tänään on monipeilin lämpöydinreaktorin konseptin kehittäminen sekä tämän konseptin päämääräysten kokeellinen todentaminen.

Ei pelkästään leivästä... Mutta myös leivästä

Plasmatutkimusta ei voida tehdä ilman diagnostiikkaa, ja siksi BINP:n kehitystyöt ostetaan helposti. Instituutti tekee sopimuksia tiettyjen diagnostisten työkalujen toimittamisesta, ja tutkijat osallistuvat näiden työkalujen kehittämiseen ja kokoonpanoon omissa työpajoissaan. Nämä ovat pääasiassa diagnostisia injektoreita, mutta myös optisia laitteita, interferometrejä jne. Asia ei pysähdy: BINP osaa myös ansaita rahaa.

Kirjallisuus

1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov ollenkaan. Plasman lämmitys ja sulkeminen GOL-3-multipeililoukussa // Fuusiotieteen ja teknologian transaktiot. - 2007. - Voi. 51. - Ei. 2T. - Pp. 106-111.

2. A. V. Arzhannikov, V. T. Astrelin, A. V. Burdakov, I. A. Ivanov, V. S. Koidan, S. A. Kuznetsov, K. I. Mekler, S. V. Polosatkin, V. V. Postupaev, A. F. Rovenskikh, S. L. S. Sulitja, S. L. S. S. Tutkimus ionien nopean kuumenemisen mekanismista monipeililoukussa GOL-3 // Plasma Physics. - 2005. - T. 31. - Nro 6. - P. 506-520.

Yli puoli vuosisataa on kulunut siitä, kun hallitun lämpöydinfuusion työ aloitettiin maailmassa. Tämän ongelman ratkaisun pitäisi tarjota ihmiskunnalle lähes rajaton energialähde.

Aluksi näytti siltä, ​​että ongelma kevyiden ytimien fuusion rauhanomaisesta käytöstä energian tuottamiseen voitaisiin ratkaista melko nopeasti, varsinkin kun lähistöllä oli esimerkki, kun atomipommin ensimmäisestä kokeesta syntymiseen kului alle neljä vuotta. Neuvostoliiton ensimmäisestä ydinvoimalasta. Mutta kontrolloidun lämpöydinfuusion avulla kaikki osoittautui paljon monimutkaisemmaksi, ja polku sen toteuttamiseen osoittautui paljon pidemmäksi kuin aluksi näytti.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi oli tarpeen luoda korkean lämpötilan tiheä plasma, pitää sitä pitkään ja käyttää siinä tapahtuvien ydinreaktioiden energiaa. Plasman rajoittamiseen ehdotettiin voimakkaan magneettikentän käyttöä. Kuitenkin jo ensimmäisissä kokeissa havaittiin, että plasma magneettikentässä käyttäytyy arvaamattomasti ja katoaa nopeasti ansasta. Kesti paljon aikaa ymmärtää monimutkaisimmat plasmassa tapahtuvat prosessit ja edetä kohti lämpöydinreaktorin luomista.

Monipeililoukku GOL-3 - valmistelu Kokeilu on täydessä vauhdissa.

Tähän mennessä toroidisten (donitsin muotoisten - toim.) tokamak-tyyppisten asennuksien kokeissa on saavutettu merkittävää edistystä kuuman plasman parametreissä, mikä on mahdollistanut siirtymisen suoraan ITER-laitteiston rakentamiseen. jonka lämpöydinplasmapoltto ylläpidetään pitkään 500 MW:n tehotasolla. ITER-hanke on tietysti valtavan tärkeä koko ihmiskunnalle. Sen mittakaava on niin suuri, että sen toteuttaminen tuli mahdolliseksi vain laajan kansainvälisen yhteistyön pohjalta.

Samanaikaisesti edes onnistunut lämpöydinplasmapolton demonstraatio ITERissä ei tarkoita ollenkaan, että tulevaisuuden lämpöydinreaktoreita rakennettaisiin tokamakien pohjalle. Samanaikaisesti korkean lämpötilan plasman fysiikan tutkimuksissa ehdotettiin avoimien ansojen käyttöä magneettipeileillä, jotka ovat topologisesti erilaisia ​​kuin tokamakit. Näillä ansoilla on useita perustavanlaatuisia etuja tokamakeihin verrattuna. Erityisesti ne ovat suunnittelultaan yksinkertaisempia, mikä voi tulevaisuudessa olla merkittävä argumentti niiden käytön puolesta fuusioreaktorina. Käytännössä on kuitenkin vielä osoitettava, että näillä ansoilla on mahdollista saavuttaa korkeat plasmaparametrit, jotka ovat edelleen huomattavasti vaadittua alhaisemmat. Merkittävää edistystä tähän suuntaan on saavutettu viime vuosina käyttämällä tämäntyyppisiä nykyaikaisia ​​laitteita, joissa on parannettu plasmarajoitus Ydinfysiikan instituutissa SB RAS, joka on ollut ja on edelleen yksi maailman johtajista tällä tutkimusalueella.

GOL-3 ohjauspaneeli.

Yksi tällaisista asennuksista on GOL-3-monipeililoukku, jossa tehdään kokeita tiheällä (jopa 1023 m -3) plasmalla. Tällä asennuksella saatiin useita ainutlaatuisia tuloksia. Erityisesti havaittiin pituussuuntaisen elektronin lämmönjohtavuuden vaimenemisen vaikutus kolmella suuruusluokalla, mikä johtui mikroturbulenssin kehittymisestä plasmassa relativistisen elektronisäteen kulun aikana, mikä mahdollisti 4 keV:n elektronin lämpötilan saavuttamisen ansa. Monipeilimagneettisessa konfiguraatiossa havaittiin ja selitettiin ionien nopean kuumennuksen vaikutus 2 keV:n lämpötilaan plasman tiheydellä 1021 m-3. Saavutetut parametrit mahdollistavat fysikaalisten prosessien simuloinnin monipeililämpöydinreaktorissa. Lisäksi asennus mahdollistaa elektronikuuman plasman ja pinnan vuorovaikutuksen vaikutusten tutkimisen tokamakissa lämpöydinplasman kanssa.

Kaasudynaaminen loukku GDL - prototyyppi voimakas neutronilähde.

Instituutti ehdotti ja otti nopeasti käyttöön toisen nykyaikaisten avoimien ansojen järjestelmän - niin sanotun kaasudynaamisen plasmaloukun (GPL). GDL:n pituus ja magneettikentän suuruus keskellä ja päissä valitaan siten, että ionien tehollinen keskimääräinen vapaa reitti on pienempi kuin asennuksen pituus. Tällaisissa olosuhteissa plasman käyttöikä määritetään samalla tavalla kuin lasketaan tavallisen kaasun häviöt astiassa olevan aukon kautta, johon laitteiston nimi liittyy. Plasman elinikä GDT:ssä ei ole herkkä mahdolliselle mikrofluktuaatioiden virittymiselle siinä, ja tämä tekee koetulosten ennustamisesta ja sen ekstrapoloinnista reaktorin olosuhteisiin luotettavan. Toinen GDL:n etu on kyky varmistaa plasman hydrodynaaminen stabiilius akselisymmetrisessä konfiguraatiossa. Nämä teoreettiset johtopäätökset on jo vahvistettu kokeellisesti. Kaasudynaamisella ansalla on mahdollisuuksia sekä puhtaasti reaktorin kannalta että pohjana materiaalitieteellisen lämpöydinneutronilähteen luomiselle.

GDL-ryhmän nuoret työntekijät.

GDL-laitoksessa noin 4 MW:n kokonaistehoisten deuterium-atomisäteiden injektointi mahdollistaa plasman paineen nostamisen loukkuun lähes puoleen rajoittavan magneettikentän paineesta. Tässä tapauksessa havaittu neutronisäteily keskittyy pääasiassa 45 asteen kulmassa loukkuun ruiskutettujen nopeiden deuteronien pysähtymispisteisiin. Injektiotehoa ja kestoa pyritään lisäämään edelleen, jotta kokeessa voidaan toistaa olosuhteet, jotka vallitsevat neutronilähteen deuterium-tritiumplasmassa, jonka vuontiheys on 14 MeV neutronia 0,5 MW/m 2. Injektion lisäyksen pitäisi nostaa neutronivuon tiheys 2 MW/m 2:een, joka tarvitaan tulevan lämpöydintokamakireaktorin materiaalien testaamiseen maksimikuormituksilla.

Kuva V. Novikov

A. Ivanov, fysiikan ja matemaattisten tieteiden tohtori, BINP