Para ilmuwan di Institut Fisika Nuklir (INP) telah mencapai pemanasan plasma yang stabil hingga 10 juta derajat Celcius, NSN melaporkan. Deputi Direktur Riset Polri Alexander Ivanov. Ilmuwan memberi tahu prospek apa yang terbuka dari perkembangan ini dan mengapa pada dasarnya mengecualikan munculnya limbah radioaktif.
- Polri mulai mempertimbangkan opsi untuk membuat sistem termonuklir berdasarkan jebakan terbuka. Apa artinya ini?
Jika kita berbicara tentang memanaskan plasma sebesar 10 juta derajat, kita harus ingat bahwa suhu ini lebih tinggi daripada di pusat Matahari. Secara alami, plasma panas seperti itu tidak dapat disimpan dalam semacam wadah dengan dinding material - meskipun sangat tebal, mereka akan tetap terbakar. Untuk menghindari hal tersebut, yakni menjaga agar plasma tetap panas, setidaknya ada dua cara.
Yang pertama adalah ketika plasma ditempatkan di medan magnet toroidal yang kuat, yang mengubah lintasan partikel plasma, setelah itu mereka mulai bergerak di sepanjang lingkaran yang berputar di sekitar garis medan magnet. Dalam hal ini, plasma tidak bergerak melintasi medan magnet, tanpa menciptakan fluks panas. Prinsip ini adalah dasar untuk instalasi tokamak, yang berbentuk "donat" dengan medan magnet di dalamnya, yang diusulkan di negara kita untuk kurungan magnet plasma untuk fusi termonuklir terkontrol. Dalam perlombaan ide tentang cara menciptakan Matahari di Bumi, instalasi ini sekarang memimpin.
Ada juga sistem lain. Sederhananya, ini adalah tabung perangkap terbuka panjang dengan medan magnet memanjang, di mana plasma dijaga dari kontak dengan dinding, tetapi menyebar relatif bebas di sepanjang dan menyentuh dinding ujung. Dalam perangkap ini, kita telah belajar untuk membuat kehilangan panas di sepanjang medan magnet sangat berkurang dibandingkan dengan pemuaian bebas plasma.
- Seberapa jauh kita dari penciptaan reaktor termonuklir?
Ada reaktor berdasarkan tokamaks, ada jebakan terbuka, dan ada, misalnya, sistem pulsa, ketika setetes bahan bakar tritium-deuterium dinyalakan oleh laser, dan terbakar dalam sepersejuta detik, memberikan energi.
Adapun tokamaks, dalam 10 tahun Prancis akan meluncurkan reaktor ITER besar - fasilitas cyclopean dengan kompleksitas besar, di mana pembakaran plasma termonuklir akan didemonstrasikan. Pada saat yang sama, suhu di sana sekitar 10 kali lebih tinggi daripada yang bisa kita dapatkan sekarang di perangkap terbuka.
Tetapi, bagaimanapun, pada suhu 10 juta derajat, hal-hal yang sangat berguna dapat dilakukan - khususnya, sumber neutron yang sangat kuat, yang diperlukan, misalnya, untuk menguji bahan untuk reaktor termonuklir di masa depan. (Artinya, dinding tokamaks selama pengujian akan dikenai fluks neutron yang sangat kuat, dan dengan demikian para ilmuwan akan dapat sepenuhnya mensimulasikan situasi tersebut.) Selain itu, sumber neutron dapat digunakan sebagai penggerak untuk reaktor fisi subkritis - mereka adalah dimasukkan ke dalam sistem reaktor nuklir yang beroperasi pada faktor penguatan kurang dari satu. Ini sangat meningkatkan keamanan sistem subkritis, yang pada prinsipnya mengecualikan kemungkinan kecelakaan seperti Chernobyl.
- Terobosan seperti apa yang “penuh” dengan pencapaian Anda?
Sekarang kami spesialis nuklir Rusia telah mencapai tingkat di mana dimungkinkan untuk mulai merancang prototipe sumber neutron yang begitu kuat. Jika kita melihat perspektif yang lebih panjang, saya tidak melihat batasan agar tidak meningkatkan suhu pemanasan plasma tidak hingga 10 juta, tetapi, katakanlah, hingga 300 juta derajat.
Berdasarkan pesan ini, kami di BINP sedang mempertimbangkan kemungkinan untuk membuat jebakan generasi berikutnya, yang parameternya akan ditingkatkan secara signifikan. Dan kami akan serius memikirkan untuk membuat reaktor ITER alternatif. Jika semua ini berhasil, reaktor fusi kami yang didasarkan pada perangkap terbuka bahkan mungkin secara komersial jauh lebih menarik daripada yang berbasis tokamak, dan struktur yang dibuat di Prancis tidak dapat bersaing dengannya dalam kesederhanaan teknis.
Sekarang kita telah mencapai tingkat di mana dimungkinkan untuk mulai merancang prototipe sumber neutron yang begitu kuat. Jika kita melihat perspektif yang lebih panjang, saya tidak melihat batasan agar tidak meningkatkan suhu pemanasan plasma tidak hingga 10 juta, tetapi, katakanlah, hingga 300 juta derajat.
Berdasarkan pesan ini, kami di BINP sedang mempertimbangkan kemungkinan untuk membuat jebakan generasi berikutnya, yang parameternya akan ditingkatkan secara signifikan. Dan kami akan serius memikirkan untuk membuat reaktor alternatif. Jika semuanya berjalan dengan baik, reaktor fusi berdasarkan perangkap terbuka bahkan mungkin lebih menarik secara komersial daripada yang berbasis tokamak.
- Reaktor berdasarkan jebakan terbuka ... dalam hal apa lagi mereka lebih disukai daripada tokamak?
Kami berharap agar reaktor open trap yang sedang kami kerjakan dengan perkembangan tertentu dapat muncul. Mereka memiliki keunggulan tertentu dibandingkan tokamaks. Last but not least, maksud saya kemungkinan bekerja pada bahan bakar termonuklir, yang baik tidak menghasilkan neutron sama sekali, atau menghasilkan sangat sedikit neutron, yang tidak penuh dengan masalah penyimpanan jangka panjang dan pembuangan limbah radioaktif.
Perhatikan bahwa Polri telah mengumumkan rencana untuk mengembangkan reaktor ITER alternatif. Institut berencana untuk menyelesaikan dasar teknis dan ekonomi untuk proyek reaktor alternatif prototipe dengan nama bersyarat GDML (gas dynamic trap) dalam kerangka program Institut dengan dana dari Russian Science Foundation, yang dihitung hingga 2018.
Pondasi fisik dari desain reaktor fusi berdasarkan perangkap terbuka
Institut Fisika Nuklir. SB RAS, Novosibirsk, Federasi Rusia, *****@***ru
*Universitas Negeri Novosibirsk, Novosibirsk, Federasi Rusia
**Universitas Teknik Negeri Novosibirsk, Novosibirsk, Federasi Rusia
Sehubungan dengan pengembangan jenis baru jebakan aksisimetris terbuka dengan plasma padat dan multimirror longitudinal loss suppression (GMLL, ), perkiraan bagaimana reaktor termonuklir berdasarkan mereka bisa terlihat sangat menarik. Secara khusus, perlu untuk mengevaluasi apakah pengapian dapat dicapai di dalamnya, siklus bahan bakar apa yang dapat digunakan dan dalam kondisi apa, dimensi, daya, dan karakteristik lainnya dibandingkan dengan karakteristik reaktor tokamak tipe ITER. Perkiraan tersebut akan membantu untuk menentukan arah pengembangan di mana perangkap terbuka akan tetap kompetitif dibandingkan dengan tokamaks sebagai reaktor termonuklir. Tujuan kedua dari pekerjaan ini adalah untuk meninjau masalah fisik dan teknik yang terkait dengan kurungan plasma di berbagai jenis perangkap dan bagaimana mereka diselesaikan dalam sistem seperti GDML.
Tinjauan menunjukkan bahwa perangkap dapat dianggap terdiri dari dua subsistem - inti pusat dan sistem untuk menekan kerugian longitudinal di tepi. Zona aktif pusat harus berupa sel cermin panjang dengan bidang kuasi-homogen dan rasio cermin kecil sekitar 1,5. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa jauh lebih menguntungkan untuk meningkatkan medan magnet pembatas, dan, akibatnya, kerapatan plasma, daripada meningkatkan rasio cermin. Pada saat yang sama, bidang maksimum yang dapat dicapai dibatasi oleh kemampuan teknis superkonduktor. Dari bawah, rasio cermin magnetik dibatasi oleh persyaratan untuk mempertahankan sebagian besar produk reaksi bermuatan. Seperti yang ditunjukkan dalam karya kelompok GDL, dalam konfigurasi magnetik seperti itu dimungkinkan untuk mengandung plasma dengan b~0,6 yang tinggi, dengan kehilangan transversal yang rendah. Inti dapat ditutup dengan dua jenis sistem penekanan kerugian longitudinal - ambipolar dan multi-cermin, dan prinsip-prinsip ini dapat digabungkan dalam satu perangkat. Dalam hal ini, retensi komponen elektronik panas dalam hal apa pun dilakukan oleh potensi elektrostatik, dan elektron dingin dari pelat ujung dikunci dalam ekspander oleh potensi Yushmanov. Metode ini juga telah diuji pada fasilitas GDT. Selain itu, penghalang termal dapat digunakan. Efisiensi komparatif dari berbagai sistem penahanan longitudinal dipertimbangkan. Rugi transversal dalam konfigurasi optimal harus setengah dari total rugi. Dengan kondisi ini, ketika mengoptimalkan sistem sepanjang panjang penuh, mereka hanya akan mempengaruhi radius plasma dan daya reaktor. Kondisi penyalaan dan pembakaran stasioner (dengan mempertimbangkan perubahan komposisi plasma karena akumulasi produk pembakaran) dalam reaktor berdasarkan skema yang dijelaskan dengan siklus bahan bakar D-T, D-D, dan D-He3 dipertimbangkan. Batas pengapian dan pembakaran diperoleh dalam bentuk kombinasi bBm2kL versus suhu, di mana Bm adalah medan magnet maksimum (pada sumbat pertama), k adalah koefisien supresi sistem akhir, dan L adalah panjang inti. Perkiraan dimensi dan daya reaktor diperoleh berdasarkan batasan teknis dan skala yang ada. Daya minimum reaktor D-T berdasarkan perangkap terbuka dan biayanya dapat menjadi urutan besarnya lebih rendah daripada sistem tipe ITER.
literatur
Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. dkk. in Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Fission", AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, p. 147
31.08.2016Layanan pers Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia telah melaporkan peristiwa ini di berita pada 09.08. dan 15/8/2016. Rincian pencapaian ilmiah penting ini sekarang sedang diterbitkan.
FISIKA SIBERIAN MEMANASKAN PLASMAHINGGA 10 JUTA DERAJAT
PADAFASILITAS TERMONUKLIR
Ilmuwan dari Institut Fisika Nuklir. G.I. Budker dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Cabang Siberia dalam percobaan pada perangkap gas-dinamis mencapai pemanasan plasma yang stabil hingga 10 juta derajat. Ini adalah hasil yang sangat signifikan bagi prospek fusi termonuklir terkendali. Waktu kurungan plasma masih milidetik.
Para ilmuwan mulai mempertimbangkan opsi untuk membuat reaktor fusi berdasarkan jebakan terbuka.
Para ilmuwan bermaksud untuk mencapai hasil energi fusi yang dapat diterima untuk sistem dengan panjang sekitar 100 meter. Ini sangat sistem kompak. Reaktor termonuklir berbasis open trap, alternatif TOKAMAKU, dapat dibuat dalam 20-30 tahun ke depan.
Ilmuwan akademis dari Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia berhasil membuat plasma panas menggunakan pemanas siklotron elektron, yang memungkinkan untuk meninggalkan senjata plasma dan, dengan demikian, melakukan eksperimen dalam kondisi yang lebih terkontrol.
Dengan parameter plasma yang telah dicapai, sistem seperti itu, khususnya, dapat digunakan untuk penelitian di bidang ilmu material, karena memberikan fluks neutron yang tinggi.
Wakil Direktur Polri SB RAS A. Ivanov mencatat bahwa studi telah dilakukan pada interaksi plasma dengan dinding reaktor, dan nilai rekor kepadatan energi per satuan luas telah diperoleh. “Sekarang kita tahu bagaimana pelat tungsten terkikis,” katanya.
Para ilmuwan percaya bahwa yang dikembangkan di Institut Fisika Terapan Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia untuk sumber radiasi INP SB RAS - gyrotron akan menjanjikan untuk pemanasan, yang akan memungkinkan untuk mencapai parameter plasma yang lebih tinggi.
Sebelumnya, INP SB RAS mengumumkan rencana untuk membuat prototipe termonuklir reaktor. Diasumsikan Polri SB RAS akan menyusun desain teknis dan studi kelayakan instalasi, setelah itu tahap negosiasi dengan calon mitra dari negara lain akan dimulai.
Seperti diberitakan, pengembangan reaktor fusi prototipe berdasarkan perangkap "multi-cermin" gas-dinamis sedang dilakukan di bawah hibah dari Yayasan Sains Rusia. Durasi pelaksanaan program adalah 2014-2018, jumlah pembiayaan proyek dengan mengorbankan Yayasan Sains Rusia adalah 650 juta rubel.
Sebelumnya, para ilmuwan dari Institut Fisika Nuklir SB RAS memperoleh rekor suhu 4,5 juta derajat (400 elektron volt) dalam perangkap dinamis gas (GDT), yang digunakan untuk menahan plasma panas di medan magnet, pada tahun 2014 suhu ini dinaikkan menjadi 9 juta derajat.
PEMANASAN PLASMA TERMONUKLISHINGGA 10 JUTA DERAJAT
Serangkaian percobaan sukses pada pemanasan plasma elektron-siklotron resonan (ECR) dilakukan di fasilitas GDL (Gbr. 1). Tujuan dari percobaan ini adalah untuk menyusun skenario pemanasan plasma gabungan dengan sinar netral (NI) dengan daya 5 MW dan pemanasan ECR dengan daya hingga 0,7 MW, untuk mempelajari mekanisme fisik ketidakstabilan magnetohidrodinamika. plasma diamati selama pemanasan tersebut, dan untuk mencari cara untuk menekannya.
Sistem pemanas ECR di fasilitas GDT terdiri dari dua gyrotron berdenyut dengan frekuensi 54,5 GHz dan daya yang diukur pada input plasma 300 dan 400 kW. Setiap gyrotron ditenagai oleh sumber daya tegangan tinggi yang dirancang khusus yang membentuk pulsa tegangan tinggi persegi panjang dengan amplitudo 70 kV (dengan stabilitas setidaknya 0,5%), arus hingga 25 A, dan durasi hingga 3 ms. Radiasi gyrotron disuplai melalui garis kuasi-optik tertutup yang terpisah dan dimasukkan ke dalam ruang vakum di sekitar dua cermin magnetik, seperti yang ditunjukkan pada gambar. 3.
Untuk menciptakan kondisi yang optimal untuk pemanasan ECR, diperlukan peningkatan medan magnet pada kumparan terpisah yang terletak di sekitar daerah absorpsi. Arus tambahan yang diperlukan untuk penyerapan efektif pada ujung-ujung perangkap yang berlawanan diperoleh dengan mengurangi medan magnet di badan utama perangkap (dari 0,35 menjadi 0,27 T di pusat pemasangan). Gangguan konfigurasi magnetik seperti itu menyebabkan penurunan yang signifikan dalam kurungan plasma, khususnya, tanpa pemanasan ECR, suhu elektron menurun dari 250 eV menjadi 150 eV.
Dalam konfigurasi magnetik ini, dua skenario pemanasan ECR dioptimalkan. Skenario pertama dioptimalkan untuk meningkatkan masa pakai ion panas yang dihasilkan dari penangkapan plasma dari sinar netral yang dipanaskan. Rezim ini ditandai dengan penyerapan radiasi girotron di hampir seluruh penampang plasma, yang menyebabkan peningkatan suhu elektron di seluruh volume plasma.
Karena masa hidup ion panas sebanding dengan suhu elektron pangkat 3/2, selama pemanasan ECR, kandungan energi plasma dan fluks neutron fusi D-D yang dihasilkan dari tumbukan antara ion panas meningkat secara signifikan (Gbr. 4 ). Dimungkinkan untuk mendapatkan debit yang stabil dalam mode ini pada daya pemanas ECR tidak melebihi 400 kW. Suhu elektron pada sumbu GDT mencapai 200 eV.
Skenario kedua dioptimalkan untuk mendapatkan suhu elektron maksimum. Dalam mode ini, bagian utama dari daya gelombang mikro yang ditangkap oleh plasma diserap di daerah paraksial yang sempit. Oleh karena itu, ketika gyrotron dihidupkan, pelepasan dengan suhu pusat hingga 1 keV terbentuk dalam beberapa ratus mikrodetik (Gbr. 5). Terlepas dari kenyataan bahwa profil suhu radial sangat memuncak, keseimbangan energi menunjukkan bahwa kurungan plasma di zona aksial terjadi dalam rezim gas-dinamis, sementara transpor radial dan konduktivitas termal elektron longitudinal klasik (Spitzer) sangat ditekan. Pengukuran hamburan Thomson menunjukkan bahwa energi didistribusikan kembali antara elektron termal, yaitu, kita berbicara tentang suhu elektron, dan bukan tentang energi yang tersimpan di "ekor" elektron energik. Selama percobaan ini di fasilitas GDT, rekor suhu elektron untuk sistem terbuka dicapai dalam debit kuasi-stasioner (-1 ms), dan untuk pertama kalinya parameter plasma mendekati nilai yang sebanding dengan sistem toroidal. .
Keadaan ini memungkinkan kami untuk menyimpulkan bahwa ada prospek yang baik untuk aplikasi termonuklir berdasarkan perangkap terbuka. Sebagai perbandingan, pada Gambar. Gambar 6 menunjukkan grafik yang menunjukkan kemajuan peningkatan suhu elektron dalam percobaan di fasilitas GDL selama 25 tahun keberadaan fasilitas tersebut.
Peningkatan suhu elektron yang tajam dan signifikan ketika pemanas ECR dihidupkan mengarah pada pengembangan ketidakstabilan MHD plasma jenis seruling. Untuk menekan ketidakstabilan ini dalam debit GDT standar (tanpa pemanasan ECR), metode "pengurungan pusaran" digunakan. Ini terdiri dari fakta bahwa potensial listrik konstan diterapkan ke pinggiran plasma, menyebabkannya berputar di medan listrik dan magnet yang bersilangan. Untuk secara efektif menekan kerugian transversal selama pengembangan ketidakstabilan seruling, potensi radial yang diterapkan harus sebanding dengan suhu elektron. Dengan peningkatan suhu plasma yang kuat selama pemanasan ECR, kondisi ini dapat dilanggar. Untuk mengatasi masalah ini, metode peningkatan bertahap dalam potensi radial digunakan, yang memantau kenaikan suhu saat pemanas ECR dihidupkan. Akibatnya, dimungkinkan untuk mewujudkan pemanasan plasma ECR yang relatif stabil dengan daya 700 kW untuk waktu yang sebanding dengan total durasi pelepasan di fasilitas.
Demonstrasi pelepasan dengan rekor suhu elektron tinggi menjadi mungkin karena pengembangan skenario optimal untuk pemanasan plasma EC oleh gelombang luar biasa pada harmonik pertama dalam volume utama perangkap. Hasil ini memberikan dasar yang andal untuk membuat reaktor fusi nuklir berdasarkan perangkap terbuka, yang memiliki konfigurasi medan magnet aksisimetris paling sederhana dari sudut pandang teknik. Aplikasi terdekat dari reaktor tersebut dapat menjadi sumber neutron yang kuat dari reaksi fusi inti deuterium dan tritium, yang diperlukan untuk memecahkan sejumlah masalah dalam ilmu material termonuklir, serta mengendalikan reaktor nuklir subkritis, termasuk perangkat untuk penghancuran. dari limbah radioaktif. Pengembangan lebih lanjut dari pendekatan ini akan memungkinkan untuk mempertimbangkan pembuatan atas dasar perangkap terbuka dari reaktor termonuklir "bersih" menggunakan reaksi fusi rendah-neutron atau bebas-neutron.
Eksperimen pada fasilitas GOL-3 untuk meningkatkan retensi longitudinal dalam perangkap terbuka
Parameter plasma di fasilitas yang diperoleh sebagai hasil kerja bertahun-tahun dan ide-ide baru yang muncul memungkinkan untuk mengevaluasi prospek skema kurungan plasma suhu tinggi ini jauh lebih optimis daripada sebelum dimulainya pekerjaan di GOL -3 (Gbr. 2). Kesimpulan utama adalah bahwa proses utama terjadi dengan latar belakang tingkat turbulensi plasma yang cukup tinggi. Jenis ketidakstabilan baru telah ditemukan di sel ujung perangkap cermin ganda, yang mengarah pada pertukaran yang lebih efisien antara kelompok partikel sementara dan partikel yang terperangkap dalam kondisi kepadatan plasma rendah di dekat ujungnya.
Mungkin tidak ada bidang aktivitas manusia yang begitu penuh kekecewaan dan penolakan terhadap para pahlawan sebagai upaya untuk menciptakan energi termonuklir. Ratusan konsep reaktor, puluhan tim yang konsisten menjadi favorit publik dan APBN, dan akhirnya, nampaknya, pemenangnya berupa tokamaks. Dan di sini lagi - pencapaian para ilmuwan Novosibirsk menghidupkan kembali minat dunia terhadap konsep tersebut, yang diinjak-injak secara brutal di tahun 80-an. Dan sekarang lebih detail.
Perangkap GDT terbuka dengan hasil yang mengesankan
Di antara berbagai proposal tentang cara mengekstrak energi dari fusi termonuklir, sebagian besar dipandu oleh kurungan stasioner dari plasma termonuklir yang relatif longgar. Misalnya, proyek ITER dan lebih luas lagi - jebakan tokamak dan stellarator toroidal - dari sini. Mereka toroidal karena merupakan bentuk paling sederhana dari bejana tertutup dari medan magnet (karena teorema sisir landak, bejana bulat tidak dapat dibuat). Namun, pada awal penelitian di bidang fusi termonuklir terkontrol, favorit bukanlah jebakan geometri tiga dimensi yang kompleks, tetapi upaya untuk menjaga plasma dalam apa yang disebut jebakan terbuka. Ini biasanya juga bejana magnet silindris di mana plasma tertahan dengan baik dalam arah radial dan mengalir keluar dari kedua ujungnya. Ide para penemu di sini sederhana - jika pemanasan plasma baru oleh reaksi termonuklir berjalan lebih cepat daripada konsumsi panas dari kebocoran dari ujungnya - maka Tuhan memberkatinya, dengan keterbukaan wadah kita, energi akan dihasilkan, dan kebocoran masih akan terjadi di bejana vakum dan bahan bakar akan berjalan di dalam reaktor sampai habis terbakar.
Gagasan perangkap terbuka adalah silinder magnetik dengan sumbat/cermin di ujungnya dan ekspander di belakangnya.
Selain itu, di semua jebakan terbuka, metode tertentu digunakan untuk menghentikan plasma agar tidak keluar melalui ujungnya - dan yang paling sederhana di sini adalah meningkatkan medan magnet secara tajam di ujungnya (masukkan "colokan" magnetik dalam terminologi Rusia atau "cermin" di Terminologi Barat), sementara partikel bermuatan yang masuk, pada kenyataannya, memantul dari sumbat cermin dan hanya sebagian kecil plasma yang akan melewatinya dan masuk ke ekspander khusus.
Dan gambar yang sedikit kurang skematis dari pahlawan wanita hari ini - ruang vakum ditambahkan di mana plasma terbang, dan semua jenis peralatan.
Eksperimen pertama dengan jebakan "cermin" atau "terbuka" - mentimun Q didirikan pada tahun 1955 di Laboratorium Nasional American Lawrence Livermore. Selama bertahun-tahun, laboratorium ini telah menjadi pemimpin dalam pengembangan konsep CTS berbasis perangkap terbuka (OT).
Eksperimen pertama di dunia - perangkap terbuka dengan cermin magnetik Q-mentimun
Dibandingkan dengan pesaing tertutup, keunggulan OL dapat ditulis dengan geometri reaktor yang lebih sederhana dan sistem magnetiknya, yang berarti murah. Jadi, setelah jatuhnya favorit pertama dari reaktor TCB - Z-pinch, perangkap terbuka menerima prioritas dan pendanaan maksimum di awal tahun 60-an, karena mereka menjanjikan solusi cepat dengan sedikit uang.
Awal 60-an, Table Top trap
Namun, Z-pinch yang sama pensiun bukan secara kebetulan. Pemakamannya dikaitkan dengan manifestasi sifat plasma - ketidakstabilan yang menghancurkan formasi plasma ketika mencoba mengompresi plasma dengan medan magnet. Dan justru fitur inilah, yang dipelajari dengan buruk 50 tahun yang lalu, yang segera mulai mengganggu para peneliti dengan jebakan terbuka. Ketidakstabilan seruling membuat sistem magnetik menjadi rumit dengan memperkenalkan, selain solenoida bulat sederhana, "tongkat Ioffe", "perangkap bisbol", dan "kumparan yin-yang" dan untuk mengurangi rasio tekanan medan magnet terhadap plasma tekanan (parameter ).
Magnet perangkap superkonduktor "Bisbol" Baseball II, pertengahan 70-an
Selain itu, kebocoran plasma terjadi secara berbeda untuk partikel dengan energi yang berbeda, yang menyebabkan ketidakseimbangan plasma (yaitu, spektrum kecepatan partikel non-Maxwellian), yang menyebabkan sejumlah ketidakstabilan yang tidak menyenangkan. Ketidakstabilan ini, pada gilirannya, "mengguncang" plasma mempercepat pelepasannya melalui sel cermin akhir.Pada akhir 1960-an, varian sederhana dari perangkap terbuka mencapai batas dalam hal suhu dan kepadatan plasma terbatas, dan angka-angka ini jauh lebih rendah daripada yang dibutuhkan untuk reaksi termonuklir. Masalah utama adalah pendinginan longitudinal yang cepat dari elektron, yang kemudian kehilangan energi dan ion. Ide-ide baru dibutuhkan.
Perangkap ambipolar paling sukses TMX-U
Fisikawan mengusulkan solusi baru yang terkait terutama untuk meningkatkan kurungan longitudinal plasma: kurungan ambipolar, perangkap bergelombang dan perangkap dinamis gas.
- Kurung ambipolar didasarkan pada fakta bahwa elektron "bocor" dari perangkap terbuka 28 kali lebih cepat daripada ion deuterium dan tritium, dan perbedaan potensial muncul di ujung perangkap - positif dari ion di dalam dan negatif dari luar. Jika di ujung pengaturan medan dengan plasma padat diperkuat, maka potensi ambipolar dalam plasma padat akan menjaga konten kurang padat bagian dalam agar tidak terbang terpisah.
- Perangkap bergelombang menciptakan medan magnet "bergaris" di ujungnya, di mana ekspansi ion berat terhambat karena "gesekan" pada medan perangkap yang terkunci di "rongga".
- Akhirnya, jebakan gas-dinamis menciptakan analogi dari bejana dengan lubang kecil oleh medan magnet, dari mana plasma mengalir keluar pada tingkat yang lebih lambat daripada dalam kasus cermin-cermin.
Skema sistem magnetik dan pemanasan plasma Gamma-10 menggambarkan dengan baik seberapa jauh mereka telah pergi dari solusi OL sederhana pada tahun 80-an.
Pada saat yang sama, pada tahun 1975, menggunakan perangkap 2X-IIB, peneliti Amerika adalah yang pertama di dunia yang mencapai suhu ion simbolis 10 keV, yang optimal untuk pembakaran termonuklir deuterium dan tritium. Perlu dicatat bahwa pada tahun 60-an dan 70-an mereka melewati tanda pengejaran suhu yang diinginkan dengan cara apa pun, karena. suhu menentukan apakah reaktor akan beroperasi sama sekali, sedangkan dua parameter lainnya, densitas dan laju kebocoran energi dari plasma (atau lebih sering disebut sebagai "waktu penahanan"), dapat dikompensasikan dengan meningkatkan ukuran reaktor. Namun, terlepas dari pencapaian simbolis, 2X-IIB sangat jauh dari disebut reaktor - daya teoretis yang dilepaskan akan menjadi 0,1% dari plasma yang dihabiskan untuk pengurungan dan pemanasan. Masalah serius tetap pada suhu elektron yang rendah - sekitar 90 eV dengan latar belakang ion 10 keV, karena fakta bahwa, dengan satu atau lain cara, elektron didinginkan pada dinding ruang vakum tempat perangkap berada. .
Elemen perangkap ambipolar yang sekarang tidak berfungsi AMBAL-M
Pada awal tahun 80-an, puncak perkembangan cabang UTS ini jatuh. Puncak pengembangan adalah proyek Amerika MFTF senilai 372 juta dolar (atau 820 juta dalam harga hari ini, yang membawa proyek lebih dekat dengan biaya untuk mesin seperti Wendelstein 7-X atau tokamak K-STAR).
Modul magnet superkonduktor MFTF…
Dan tubuh magnet superkonduktor ujung 400 ton
Itu adalah perangkap ambipolar dengan magnet superkonduktor, termasuk. terminal mahakarya "yin-yang", berbagai sistem dan pemanasan diagnostik plasma, rekor dalam segala hal. Direncanakan untuk mencapai Q = 0,5 di atasnya, mis. hasil energi dari reaksi termonuklir hanya setengah dari biaya pemeliharaan operasi reaktor. Apa hasil dari program ini? Dia ditutup oleh keputusan politik dalam keadaan hampir siap untuk diluncurkan.
Akhiri MFTF "Yin-Yang" selama pemasangan di ruang vakum 10 meter dari instalasi. Panjangnya pun mencapai 60 meter.
Terlepas dari kenyataan bahwa keputusan ini, yang mengejutkan dari semua sisi, sangat sulit untuk dijelaskan, saya akan mencoba.
Pada 1986, ketika MFTF siap diluncurkan, bintang favorit lainnya menyala di langit konsep TCB. Alternatif sederhana dan murah untuk perangkap terbuka "perunggu", yang pada titik ini telah menjadi terlalu rumit dan mahal dengan latar belakang konsep asli awal 60-an. Semua magnet superkonduktor dengan konfigurasi membingungkan ini, injektor netral cepat, plasma RF yang kuat sistem pemanas, sirkuit penekan ketidakstabilan yang membingungkan - tampaknya instalasi kompleks seperti itu tidak akan pernah menjadi prototipe pembangkit listrik termonuklir.
JET dalam konfigurasi limiter asli dengan kumparan tembaga.
Jadi tokamak. Pada awal 1980-an, mesin ini mencapai parameter plasma yang cukup untuk membakar reaksi termonuklir. Pada tahun 1984, tokamak JET Eropa diluncurkan, yang seharusnya menunjukkan Q = 1, dan menggunakan magnet tembaga sederhana, biayanya hanya 180 juta dolar. Di Uni Soviet dan Prancis, tokamak superkonduktor sedang dirancang, yang hampir tidak menghabiskan energi untuk pengoperasian sistem magnetik. Pada saat yang sama, fisikawan yang bekerja pada perangkap terbuka tidak dapat membuat kemajuan dalam meningkatkan stabilitas plasma dan suhu elektron selama bertahun-tahun, dan janji pencapaian MFTF menjadi semakin kabur. Omong-omong, dekade berikutnya akan menunjukkan bahwa taruhan pada tokamak ternyata relatif dibenarkan - jebakan inilah yang telah mencapai tingkat kapasitas dan Q yang menarik bagi insinyur listrik.
Keberhasilan perangkap terbuka dan tokamaks pada awal tahun 80-an di peta "parameter tiga". JET akan mencapai titik sedikit di atas "TFTR 1983" pada tahun 1997.
Keputusan MFTF akhirnya merusak posisi arah ini. Meskipun eksperimen di Institut Fisika Nuklir Novosibirsk dan di fasilitas Gamma-10 Jepang terus berlanjut, program pendahulu TMX dan 2X-IIB yang cukup berhasil juga sedang ditutup di AS.
Akhir dari cerita? Tidak. Secara harfiah di depan mata kita, pada tahun 2015, sebuah revolusi tenang yang menakjubkan sedang terjadi. Peneliti dari Institut Fisika Nuklir. Budker di Novosibirsk, yang secara konsisten meningkatkan jebakan GDL (omong-omong, perlu dicatat bahwa jebakan ambipolar daripada jebakan gas-dinamis berlaku di Barat) tiba-tiba mencapai parameter plasma yang diprediksi sebagai "mustahil" oleh para skeptis di tahun 80-an.
Sekali lagi GDL. Silinder hijau mencuat ke arah yang berbeda adalah injektor netral, yang dibahas di bawah ini.
Tiga masalah utama yang mengubur perangkap terbuka adalah stabilitas MHD dalam konfigurasi aksisimetris (membutuhkan magnet dengan bentuk yang kompleks), ketidakseimbangan fungsi distribusi ion (ketidakstabilan mikro), dan suhu elektron yang rendah. Pada tahun 2015, GDT, pada nilai beta 0,6, mencapai suhu elektron 1 keV. Bagaimana hal itu terjadi?
Keberangkatan dari simetri aksial (silinder) pada tahun 1960-an dalam upaya untuk mengatasi flute dan ketidakstabilan plasma MHD lainnya menyebabkan, selain komplikasi sistem magnetik, pada peningkatan kehilangan panas dari plasma dalam arah radial. Sekelompok ilmuwan yang bekerja dengan GDT menggunakan ide tahun 80-an untuk menerapkan medan listrik radial yang menciptakan plasma yang berputar. Pendekatan ini menghasilkan kemenangan yang cemerlang - pada beta 0,6 (biarkan saya mengingatkan Anda bahwa rasio tekanan plasma terhadap tekanan medan magnet ini adalah parameter yang sangat penting dalam desain reaktor termonuklir mana pun - karena kecepatan dan kepadatan pelepasan energi ditentukan oleh tekanan plasma, dan biaya reaktor ditentukan oleh kekuatan magnetnya), dibandingkan dengan tokamak 0,05-0,1 plasma stabil.
Perangkat pengukur baru - "diagnostik" memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang fisika plasma di GDL
Masalah kedua dengan ketidakstabilan mikro yang disebabkan oleh kurangnya ion suhu rendah (yang ditarik dari ujung perangkap oleh potensi ambipolar) diselesaikan dengan memiringkan injektor sinar netral pada suatu sudut. Susunan seperti itu menciptakan puncak kerapatan ion di sepanjang perangkap plasma, yang menghambat pelepasan ion "hangat". Solusi yang relatif sederhana mengarah pada penekanan lengkap ketidakstabilan mikro dan peningkatan yang signifikan dalam parameter kurungan plasma.
Fluks neutron dari pembakaran termonuklir deuterium dalam perangkap GDL. Titik hitam - pengukuran, garis - berbagai nilai yang dihitung untuk berbagai tingkat ketidakstabilan mikro. Garis merah - ketidakstabilan mikro ditekan.
Akhirnya, "penggali kubur" utama adalah suhu elektron yang rendah. Meskipun parameter termonuklir telah dicapai untuk ion dalam perangkap, suhu elektron yang tinggi adalah kunci untuk menjaga agar ion panas tidak mendingin, dan karenanya nilai Q yang tinggi. terperangkap di dalam sistem magnetik. Hingga 2014, suhu elektron dalam perangkap terbuka tidak melebihi 300 eV, dan nilai penting secara psikologis 1 keV diperoleh dalam GDL. Itu diperoleh melalui kerja yang baik dengan fisika interaksi elektron pada ekspander akhir dengan gas netral dan penyerap plasma.
Ini membalikkan situasi. Sekarang, perangkap sederhana kembali mengancam keunggulan tokamak yang telah mencapai ukuran dan kompleksitas yang mengerikan (GDML-U ", yang menggabungkan ide dan pencapaian GDL dan metode untuk meningkatkan retensi longitudinal GOL. Meskipun di bawah pengaruh baru hasilnya, citra GDML berubah, tetapi tetap menjadi ide utama di bidang jebakan terbuka.
Di mana perkembangan saat ini dan masa depan dibandingkan dengan kompetisi? Tokamaks, seperti yang Anda ketahui, telah mencapai nilai Q=1, memecahkan banyak masalah teknik, saya akan beralih ke konstruksi nuklir daripada instalasi listrik, dan dengan percaya diri bergerak menuju prototipe reaktor daya dengan Q=10 dan a tenaga termonuklir hingga 700 MW (ITER). Stellarator, tertinggal beberapa langkah, bergerak dari mempelajari fisika dasar dan memecahkan masalah teknik pada Q=0,1, tetapi sejauh ini mereka tidak mengambil risiko memasuki bidang instalasi nuklir sejati dengan pembakaran termonuklir tritium. GDML-U bisa serupa dengan stellarator W-7X dalam hal parameter plasma (namun, menjadi perangkat berdenyut dengan durasi debit beberapa detik versus operasi setengah jam W-7X di masa depan), namun, karena geometri sederhana, biayanya bisa beberapa kali lebih kecil dari bintang Jerman.
penilaian Polri.
Ada pilihan untuk menggunakan GDML sebagai pengaturan untuk mempelajari interaksi plasma dan bahan (namun, ada cukup banyak pengaturan seperti itu di dunia) dan sebagai sumber termonuklir neutron untuk berbagai tujuan.
Ekstrapolasi ukuran GDML tergantung pada Q yang diinginkan dan kemungkinan aplikasi.
Jika besok jebakan terbuka kembali menjadi favorit dalam perlombaan menuju TNF, orang dapat berharap bahwa karena investasi modal yang lebih rendah di setiap tahap, pada tahun 2050 mereka akan mengejar dan mengambil alih tokamak, menjadi jantung dari pembangkit listrik termonuklir pertama. Kecuali plasma membawa kejutan yang lebih buruk...
Tag: Tambahkan tag
Perangkap termonuklir
Institut Fisika Nuklir, seperti semua institut Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, relatif muda: pada tahun 2008 hanya akan berusia 50 tahun, usia yang sama dengan usia rata-rata stafnya. Sangat menyenangkan melihat banyak mahasiswa pascasarjana dan mahasiswa baru-baru ini muncul di Polri yang berencana untuk melanjutkan penelitian ilmiah mereka di dalam temboknya. Diketahui bahwa kaum muda saat ini tertarik pada tempat yang menarik, di mana ada prospek pertumbuhan. Dan tidak diragukan lagi ada prospek seperti itu di Polri. Juga harus ditekankan bahwa implementasi eksperimen modern yang paling kompleks membutuhkan upaya bukan hanya satu orang, tetapi tim yang kuat dari orang-orang yang berpikiran sama. Itulah mengapa masuknya kekuatan baru sangat penting bagi institut...
Plasma adalah materi misterius,
mengatur diri sendiri
Plasma adalah gas terionisasi penuh atau sebagian di mana muatan negatif total partikel sama dengan muatan positif total. Dan oleh karena itu, secara umum, ini adalah media yang netral secara elektrik, atau, seperti yang dikatakan fisikawan, memiliki sifat quasi-netralitas. Keadaan materi ini dianggap agregat keempat (setelah padat, cair dan gas) dan merupakan bentuk keberadaan normal pada suhu sekitar 10.000 derajat Celcius ke atas.
Penelitian tentang keadaan materi yang tidak biasa di alam ini telah berlangsung selama lebih dari satu abad. Mulai dari paruh kedua abad ke-20, "arah umum" adalah implementasi reaksi fusi termonuklir terkendali (CTF) yang mandiri. Gumpalan plasma suhu tinggi sangat tersebar luas di Semesta: cukup untuk memberi nama Matahari dan bintang-bintang. Tetapi di Bumi jumlahnya sangat sedikit. Partikel kosmik dan angin matahari mengionisasi lapisan atas cangkang atmosfer bumi (ionosfer), dan plasma yang dihasilkan ditahan oleh medan magnet bumi. Dengan kata lain, itu adalah semacam perangkap magnet terestrial. Selama periode peningkatan aktivitas matahari, aliran partikel bermuatan angin matahari merusak magnetosfer planet. Karena perkembangan ketidakstabilan hidromagnetik, plasma menembus ke atmosfer atas di wilayah kutub, dan gas atmosfer, berinteraksi dengan partikel plasma bermuatan, tereksitasi dan dipancarkan. Ini karena fenomena aurora, yang hanya bisa diamati di kutub.
Seiring dengan "arah umum" dalam studi fisika plasma, ada yang lain, yang tidak kalah pentingnya, diterapkan. Ini telah menyebabkan munculnya banyak teknologi baru: pemotongan plasma, pengelasan dan perawatan permukaan logam. Sebagai fluida kerja, plasma dapat digunakan dalam mesin pesawat ruang angkasa dan lampu neon untuk penerangan. Penggunaan teknologi plasma telah menyebabkan revolusi nyata dalam mikroelektronika. Tidak hanya kinerja prosesor meningkat secara signifikan dan jumlah memori meningkat, tetapi jumlah bahan kimia yang digunakan dalam produksi juga telah berkurang secara signifikan - dengan demikian, tingkat kerusakan lingkungan telah diminimalkan.
Plasma suhu tinggi yang padat hanya ada di bintang; di Bumi itu hanya dapat diperoleh dalam kondisi laboratorium. Keadaan materi yang tidak biasa ini menyerang imajinasi dengan sejumlah besar derajat kebebasan dan, pada saat yang sama, dengan kemampuan untuk mengatur diri sendiri dan merespons pengaruh eksternal. Misalnya, plasma dapat ditahan dalam medan magnet, menyebabkannya mengambil berbagai bentuk. Namun, ia berusaha untuk menerima keadaan yang paling menguntungkan untuknya, yang sering mengarah pada perkembangan berbagai ketidakstabilan, dan, seperti organisme hidup, untuk melepaskan diri dari "kurung" perangkap magnet yang kaku jika konfigurasi perangkap ini tidak cocok untuknya. Itulah sebabnya tugas fisikawan adalah menciptakan kondisi sedemikian rupa sehingga plasma akan stabil, "hidup" dalam perangkap untuk waktu yang lama dan tenang, dan dipanaskan hingga suhu termonuklir di urutan 10 juta derajat Celcius.
Sampai saat ini, dua perangkap plasma besar yang unik berhasil beroperasi di Polri, yang merupakan hasil penerapan praktis dari ide dan prinsip orisinal yang lahir di dalam dinding institut. Ini adalah perangkap tipe terbuka, yang berbeda secara signifikan dari sistem magnetik tertutup yang populer. Mereka kagum dengan keagungan misterius mereka dan pada saat yang sama kesederhanaan fungsi. Sepanjang sejarah kerja di fasilitas tersebut, para ilmuwan telah berhasil memperoleh hasil penting dalam pemanasan dan pembatasan plasma panas padat, serta membuat sejumlah penemuan yang berkaitan dengan sifat dasar dari keadaan materi keempat ini. Setiap tahun disajikan sesuatu yang baru dan tidak biasa dalam satu atau lain kondisi kehidupan dalam perangkap saat mengubah konfigurasi medan magnet, saat membuat medan listrik, saat menambahkan berbagai pengotor, serta saat menyuntikkan sinar kuat ke dalam plasma dan saat "menyelidiki" plasma dengan berbagai diagnostik. Dan plasma, "bereaksi" terhadap tindakan seperti itu, meskipun dengan enggan, tetapi berbagi dengan para peneliti rahasianya yang paling rahasia ...
Perangkap dinamis gas (GDT)
Pengaturan GDT, dibuat di Institut Fisika Nuklir Novosibirsk pada tahun 1986, termasuk dalam kelas perangkap terbuka dan berfungsi untuk membatasi plasma dalam medan magnet.
Konfigurasi medan magnet dalam perangkap simetris aksial terbuka klasik adalah daerah memanjang dari medan magnet seragam dengan maksimum di tepi, yang dicapai dengan menggunakan kumparan cincin medan magnet yang kuat. Area di bawah kumparan ini (area ruang yang ditempati oleh medan magnet di mana ia mencapai nilai maksimumnya) biasanya disebut "sumbat magnet", dan perangkap yang diatur menurut prinsip ini disebut "tabung cermin". Dalam kasus yang paling sederhana, medan magnet di sel cermin dibuat hanya oleh cermin magnetik.
Partikel plasma bermuatan (elektron negatif dan ion positif) bergerak di sepanjang garis medan magnet di antara cermin magnetik, memantul darinya dan dengan demikian membuat gerakan osilasi. Partikel dengan energi kinetik yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial steker meninggalkan perangkap dalam satu lintasan.
Perbedaan antara perangkap dinamis gas (GDT) dan sel cermin konvensional yang dijelaskan di atas adalah panjang besar bagian medan homogen di tengah perangkap dan "rasio cermin" yang sangat besar (rasio R = B1 /B2 dari nilai medan magnet di cermin dan di tengah perangkap). Dalam konfigurasi seperti itu, jalur bebas rata-rata ion kecil dibandingkan dengan panjang bagian medan magnet yang seragam, sehingga aliran keluar plasma dari fasilitas terjadi sesuai dengan hukum dinamika gas, mirip dengan aliran keluar gas ke vakum dari bejana dengan lubang kecil, itulah alasan nama fasilitas tersebut. Dengan membuat "lubang" di cermin magnet sangat kecil dan volume yang ditempati oleh plasma besar, seseorang dapat memperoleh waktu kurungan plasma yang cukup untuk melakukan reaksi termonuklir terkendali. Benar, panjang reaktor sel probe semacam itu akan beberapa kilometer. Namun, penggunaan berbagai perangkat, yang disebut sumbat ambipolar, yang mengurangi aliran plasma ke cermin, akan memungkinkan untuk mengurangi panjang perangkap hingga batas yang wajar. Oleh karena itu, prospek reaktor jebakan seperti itu tetap menarik seperti sebelumnya. Aplikasi termonuklir yang paling menjanjikan dari skema kurungan plasma adalah pembuatan atas dasar GDL dari sumber neutron cepat yang sederhana dan andal dengan energi 14 MeV, yang dihasilkan dalam reaksi fusi inti deuterium dan tritium. Faktanya, ini adalah reaktor termonuklir yang sama (hanya dengan efisiensi rendah), mengkonsumsi energi dan menghasilkan neutron. Generator neutron semacam itu dapat digunakan untuk melakukan uji ilmu material pada dinding pertama reaktor termonuklir industri masa depan atau untuk memberi makan reaktor fisi dengan neutron berenergi rendah, yang membuat energi nuklir modern aman. Desain sumber neutron berdasarkan perangkap gas-dinamis telah dikembangkan di Institut Fisika Nuklir selama bertahun-tahun. Untuk memverifikasi prediksi teori secara praktis dan mengumpulkan basis data untuk pembuatan sumber neutron, model eksperimental jebakan gas-dinamis dibuat di Institut Fisika Nuklir Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia - fasilitas GDT.
Saat ini, komunitas ilmiah internasional yang terlibat dalam memecahkan masalah CTS telah memulai pembangunan perangkap plasma tipe tokamak terbesar yang disebut ITER. Dalam beberapa dekade mendatang, ITER harus menunjukkan kemungkinan mengoperasikan pembangkit listrik termonuklir terkendali mandiri berdasarkan reaksi fusi deuterium dan tritium.Namun, jelas bahwa untuk pengembangan lebih lanjut energi termonuklir di masa depan dan pembangunan stasiun semacam itu yang akan beroperasi selama beberapa dekade dan bahkan berabad-abad, hari ini perlu untuk memilih bahan yang andal yang mampu menahan fluks neutron yang kuat sepanjang masa pakainya. . Untuk menguji bahan semacam itu, diperlukan sumber neutron yang kuat. Polri telah mengembangkan proyek untuk sumber semacam itu berdasarkan GDL selama bertahun-tahun.
Semua prinsip fisika yang mendasari sumber neutron yang kompak dan relatif murah berdasarkan perangkap gas-dinamis terbuka saat ini sedang diselidiki dalam percobaan nyata pada akumulasi plasma, pengurungan, dan pemanasan di fasilitas GDL. Sudah hari ini, pengukuran langsung dari fluks neutron yang dipancarkan dalam percobaan dengan injeksi deuterium sedang dilakukan. Reaksi fusi deuterium-deuterium dengan parameter eksperimental ini memberikan, secara umum, fluks kecil dibandingkan dengan reaksi deuterium-tritium. Namun untuk pengecekan perhitungan model yang rencananya akan digunakan untuk perhitungan reaktor sumber di masa yang akan datang sudah cukup. Desember ini, fasilitas itu berusia 22 tahun: plasma pertama diperoleh pada akhir 1985. Mereka yang membangun dan meluncurkannya masih bekerja di laboratorium hari ini.
Tetapi tim diisi kembali dengan karyawan baru, muda dan energik: beberapa dari mereka seusia dengan unit GDL itu sendiri
Bagian utama dari instalasi adalah sel cermin aksisimetris sepanjang 7 m, dengan bidang 0,3 T di tengah dan hingga 10 T di cermin, dirancang untuk menampung plasma dua komponen.
Salah satu komponen - plasma "target" yang hangat - memiliki suhu elektron dan ion hingga 100 eV (ini kira-kira 1.200.000 derajat Celcius) dan kepadatan ~ 5 10 19 partikel per meter kubik. Komponen ini dicirikan oleh rezim kurungan gas-dinamis yang dijelaskan di atas. Komponen lainnya adalah ion cepat dengan energi rata-rata ~ 10.000 eV dan kepadatan hingga 2 10 19 partikel per meter kubik. Mereka terbentuk sebagai hasil ionisasi dalam plasma target dari berkas atom yang kuat, yang disuntikkan secara miring ke dalam perangkap dengan bantuan perangkat khusus - injektor atom netral. Komponen cepat ini dicirikan oleh rezim kurungan yang sama seperti pada sel cermin klasik: ion cepat bergerak di sepanjang orbit magnet di sepanjang garis medan magnet dan dipantulkan dari wilayah medan magnet yang kuat. Dalam hal ini, ion cepat diperlambat saat berinteraksi dengan partikel plasma target (terutama dengan elektron) dan memanaskannya hingga 100 eV dan lebih tinggi. Untuk injeksi miring dan hamburan sudut kecil partikel, kerapatan ion cepat ternyata sangat memuncak (besar) di dekat daerah refleksi, dan keadaan ini paling menarik untuk penerapan sumber neutron. Faktanya adalah bahwa fluks neutron dalam reaksi fusi sebanding dengan kuadrat kerapatan ion deuterium dan tritium. Dan oleh karena itu, dengan pemetikan kepadatan seperti itu, itu akan terkonsentrasi hanya di area pemberhentian, di mana "zona uji" akan berada. Sisa ruang instalasi akan mengalami beban neutron yang jauh lebih rendah, yang akan memungkinkan untuk mengabaikan perlindungan neutron yang mahal dari semua unit generator.
Masalah penting dalam pembuatan reaktor dan sumber neutron berdasarkan sel cermin simetris aksial adalah stabilisasi plasma melintasi medan magnet. Dalam skema GDT, ini dicapai karena bagian tambahan khusus dengan profil medan magnet yang menguntungkan untuk stabilitas, yang terletak di belakang cermin magnetik dan memastikan stabilisasi plasma yang andal.
Masalah penting lainnya dari fusi termonuklir terkendali (CTF) berdasarkan perangkap terbuka adalah isolasi termal plasma dari dinding ujung. Faktanya adalah bahwa, berbeda dengan sistem tertutup seperti tokamak atau stellarator, plasma mengalir keluar dari perangkap terbuka dan memasuki penerima plasma. Dalam hal ini, elektron dingin yang dipancarkan di bawah aksi aliran dari permukaan penerima plasma dapat menembus kembali ke dalam perangkap dan sangat mendinginkan plasma. Dalam percobaan pada studi kurungan longitudinal di fasilitas GDT, dimungkinkan untuk menunjukkan bahwa medan magnet yang berkembang di belakang steker di depan penerima plasma di tangki akhir - ekspander - mencegah penetrasi elektron dingin ke dalam perangkap dan menyediakan isolasi termal yang efektif dari dinding ujung.
Dalam kerangka program eksperimental GDT, pekerjaan konstan sedang dilakukan untuk meningkatkan stabilitas, suhu target, dan kepadatan partikel plasma cepat; dengan mempelajari perilakunya di bawah berbagai kondisi operasi instalasi, dll. Studi tentang sifat dasar juga sedang berlangsung. Perlu ditegaskan bahwa cakupan kepentingan ilmiah dan penelitian terkait plasma sangat luas.
Unit GDL dilengkapi dengan alat diagnostik paling modern. Sebagian besar dari mereka telah dikembangkan di laboratorium kami dan, terlebih lagi, dipasok berdasarkan kontrak ke laboratorium plasma lain, termasuk yang asing.
Tim ilmuwan, insinyur, dan teknisi yang melakukan penelitian di fasilitas GDL kecil tetapi sangat pekerja keras. Tingkat kualifikasi yang tinggi dari semua anggotanya membantu mereka mencapai hasil yang tinggi. Selain itu, personel ilmiah terus diisi ulang dengan "darah muda" - lulusan NSU dan NSTU. Siswa dari berbagai kursus, menjalani praktik di laboratorium, sejak hari pertama mengambil bagian aktif dalam eksperimen, sehingga memberikan kontribusi langsung pada penciptaan pengetahuan baru. Sudah setelah kursus pertama bekerja, mereka tetap berlatih di laboratorium, berhasil mempertahankan diploma, memasuki sekolah pascasarjana dan menyiapkan disertasi kandidat. Mari kita hadapi itu, ini sangat menyenangkan bagi kita, para pemimpin ilmiah.
Perangkap lain - "GOL-3" - dan sudut pandang yang sedikit berbeda tentang termonuklir
Umat manusia mengalami kekurangan listrik, dan dalam waktu dekat masalah ini akan menjadi prioritas: cadangan bahan bakar - minyak dan gas - yang digunakan di pembangkit listrik modern utama, sayangnya, sudah habis. Itu sebabnya reaktor termonuklir harus menjadi basis industri tenaga listrik masa depan.
Reaksi termonuklir adalah reaksi fusi inti ringan, seperti isotop hidrogen deuterium dan tritium, dengan pelepasan sejumlah besar energi. Untuk melakukan reaksi ini, diperlukan suhu tinggi - lebih dari 10 juta derajat Celcius. Diketahui bahwa zat apa pun pada suhu lebih dari 10 ribu derajat Celcius menjadi plasma. Kontak dengan benda padat menyebabkan pendinginan seketika dan penghancuran eksplosif permukaan benda padat, sehingga plasma harus diisolasi dari struktur: untuk tujuan ini ditempatkan di medan magnet.
Sangat sulit untuk memanaskan suatu zat ke suhu yang sangat tinggi dan menyimpannya dalam medan magnet untuk waktu yang lama - dan oleh karena itu banyak ahli menganggap fusi termonuklir terkontrol (CTF) sebagai tugas paling sulit yang pernah dihadapi umat manusia.
Fasilitas GOL-3 di Institut Fisika Nuklir Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia dirancang untuk memanaskan dan menampung plasma termonuklir dalam medan magnet multi-cermin. Instalasi terdiri dari tiga bagian utama: akselerator U-2, solenoida 12 meter (unit untuk menciptakan medan magnet yang kuat) dan unit keluaran.
Berkas elektron yang digunakan dalam penyetelan dibuat oleh akselerator U-2 yang paling kuat (di kelasnya) di dunia. Di dalamnya, elektron ditarik oleh medan listrik dari katoda eksplosif dan dipercepat oleh tegangan sekitar 1 juta volt. Pada arus 50.000 ampere, daya sistem mencapai 50 GW. (Tetapi seluruh Novosibirsk di siang hari mengkonsumsi energi 20 kali lebih sedikit.) Dengan durasi pancaran sekitar 8 mikrodetik, ia mengandung hingga 200.000 J energi (yang setara dengan ledakan granat tangan).
Dalam solenoida utama, ketika sinar melewati plasma deuterium dengan kepadatan n = 10 20 -10 22 partikel per meter kubik, karena pengembangan ketidakstabilan dua aliran, tingkat mikroturbulensi yang besar muncul dan balok kehilangan arah. hingga 40% dari energinya, mentransfernya ke elektron plasma. Tingkat pemanasan sangat tinggi: dalam 3-4 mikrodetik, elektron plasma dipanaskan hingga suhu urutan 2.000-4.000 eV (23-46 juta derajat Celcius: 1 eV = 11.600 derajat Celcius) - ini adalah rekor dunia untuk perangkap terbuka (sebagai perbandingan: pada fasilitas 2XIIB di AS, suhu tidak melebihi 300 eV versus 2000-4000 eV di GOL-3).
Medan magnet di solenoida utama adalah multi-cermin (55 sel cermin), yaitu, medan maksimum (5 T) dan minimum (3 T) bergantian, dan jarak antara maksimum (22 cm) adalah orde dari panjang jalur ion. Apa yang menyebabkan ini: jika sebuah ion meninggalkan sel cermin tunggal dan terbang di sepanjang medan magnet, maka di sel cermin tetangga itu akan bertabrakan dengan partikel lain, akibatnya dapat ditangkap oleh sel cermin tetangga, dan kemudian akan "lupakan" di mana ia terbang. Dengan demikian, ekspansi plasma dari perangkap melambat secara signifikan. Tetapi waktu retensi plasma panas di GOL-3 hingga 1 milidetik, yang dapat diakui sebagai pencapaian yang tidak diragukan lagi oleh para ilmuwan.
Sifat multicermin menyebabkan ketidakhomogenan transfer energi dari berkas ke elektron plasma: di mana medan magnet lebih kuat, pemanasan elektron lebih kuat. Ketika dipanaskan oleh sinar, turbulensi tingkat tinggi berkontribusi pada penekanan konduktivitas termal elektron yang kuat (lebih dari seribu kali), oleh karena itu, ketidakhomogenan suhu tidak merata, dan, akibatnya, terjadi penurunan tekanan plasma yang besar: karena alasan ini , plasma mulai bergerak secara keseluruhan. Dua aliran plasma yang berlawanan mulai bergerak dari daerah bertekanan tinggi ke tekanan minimum dari kedua sisi, bertabrakan dan memanas hingga suhu 1-2 keV (sedikit lebih tinggi daripada di pusat Matahari). Mekanisme pemanasan cepat ini ditemukan di GOL-3 empat tahun lalu dalam percobaan. Ini mengikuti dari teori bahwa itu harus disertai dengan lompatan tajam dalam kepadatan plasma, yang segera ditemukan oleh hamburan sinar laser Thomson.
Setelah melewati solenoida utama, berkas memasuki simpul keluar, yang mampu menerima berkas elektron yang kuat, serta aliran plasma, tanpa dihancurkan. Untuk melakukan ini, medan magnet di simpul keluaran harus divergen, yang mengurangi kerapatan energi dalam berkas dengan faktor 50, dan penerima berkas harus terbuat dari grafit. Keunikan grafit, pertama, tidak memiliki fase cair, segera menguap; kedua, ia memiliki kerapatan yang tidak signifikan (2 g / cm 3), karena itu kisaran elektron di dalamnya lebih tinggi daripada di logam, dan oleh karena itu, energi dilepaskan dalam volume yang lebih besar dan tidak melebihi ambang batas untuk ledakan penghancuran grafit, dan oleh karena itu erosi grafit kecil - sekitar 1 mikron per tembakan. Kehadiran aliran plasma yang kuat di outlet fasilitas memungkinkan untuk melakukan eksperimen tentang iradiasi bahan untuk reaktor termonuklir di masa depan: reaktor ini akan mengalami beban termal tingkat tinggi sehingga masih tidak realistis untuk capai di fasilitas plasma lainnya saat ini.
Tugas penting lainnya yang dapat diselesaikan dengan bantuan node keluar adalah memastikan keselamatan transportasi balok melalui solenoida utama. Seluruh kompleksitas masalah terletak pada kenyataan bahwa arus balok di solenoida (30 kA) lebih besar dari ambang stabilitas (untuk ruang GOL-3 - 12 kA), sehingga balok tidak stabil dan dapat dilemparkan ke dinding atau struktur intra-ruang, yang akan menyebabkan kehancurannya. Untuk tujuan ini, sebelum injeksi sinar di simpul keluaran, perlu untuk menerobos pelepasan (petir), dan kemudian solenoida utama akan diisi dengan plasma pendahuluan yang relatif dingin (beberapa eV), di mana, ketika elektron balok disuntikkan, arus balik diinduksi, dan itu sepenuhnya mengkompensasi arus balok, yang secara umum akan memberikan stabilitas sistem (arus total tidak akan melebihi 3 kA).
Salah satu masalah CTS yang paling serius adalah stabilitas plasma, yaitu penciptaan kondisi di mana plasma tidak dapat meninggalkan perangkap melintasi medan magnet karena perkembangan berbagai ketidakstabilan plasma. Untuk perangkap terbuka, ketidakstabilan seruling adalah yang paling berbahaya. Esensinya adalah bahwa plasma mendorong garis gaya magnet terpisah dan menyelinap keluar di antara mereka. Dalam plasma GOL-3, ketidakstabilan ini ditekan karena pergeseran garis medan magnet pada jari-jari plasma yang berbeda, yang muncul karena konfigurasi kompleks arus dalam plasma. Arus sinar mengalir di tengah plasma, dan ada juga turbulensi tingkat tinggi. Arus balik mengalir melalui plasma, tetapi karena turbulensi di tengah, resistansinya meningkat - dan arus balik mengalir di sepanjang permukaan kolom plasma. Arus bujursangkar menciptakan medan magnet melingkar di sekitarnya, yang bersama-sama dengan medan longitudinal solenoida, memberikan medan magnet spiral. Pada jari-jari yang berbeda, arusnya berbeda (dan mengalir ke arah yang berbeda) - oleh karena itu, baik nada maupun arah spiral juga berbeda. Itulah sebabnya ketika seruling plasma mendorong garis medan magnet terpisah pada satu radius, ia menabrak garis medan pada sudut yang berbeda dan tidak dapat mendorongnya terpisah - ini adalah bagaimana ketidakstabilan seruling ditekan.
Ini juga merupakan tugas yang sulit untuk mendiagnosis plasma panas, yaitu, untuk menentukan suhu, komposisi, kepadatan, medan magnet, dan banyak lagi. Anda tidak dapat memasukkan termometer di sana - itu bisa meledak - dan plasma akan mendingin. Kita harus menggunakan berbagai metode khusus, yang dibagi menjadi pasif dan aktif. Dengan bantuan diagnostik pasif, dimungkinkan untuk mempelajari apa yang dipancarkan plasma. Dengan bantuan aktif - untuk menyuntikkan ke dalam plasma, misalnya, sinar laser atau sinar atom dan lihat apa yang terjadi.
Dari diagnostik pasif di fasilitas GOL-3, detektor foton dan spektrometer beroperasi di daerah tampak, ultraviolet, sinar-X dan gamma, detektor neutron, detektor netral pertukaran muatan, probe diamagnetik, dan kumparan Rogowski. Dari yang aktif - beberapa sistem laser, injektor sinar atom dan injektor butiran padat.
Meskipun tokamak sekarang paling dekat dengan parameter reaktor (memiliki suhu dan waktu retensi yang lebih tinggi), berkat GOL-3, perangkap cermin ganda juga dianggap sebagai varian dari reaktor termonuklir. Kepadatan plasma di GOL-3 hampir seratus kali lebih tinggi daripada rata-rata di tokam, apalagi, tidak seperti tokamak, tidak ada batasan tekanan plasma di instalasi ini. Jika tekanan sebanding dengan tekanan medan magnet (5 T menciptakan tekanan ~100 atmosfer), maka perangkap akan beralih ke mode kurungan "dinding" - medan magnet didorong keluar dari plasma (karena plasma diamagnet) akan terkonsentrasi dan meningkat di dekat dinding ruangan dan masih dapat menahan plasma. Saat ini, tidak ada satu alasan pun yang secara mendasar membatasi pertumbuhan parameter termonuklir utama (n, T, dan waktu kurungan) dalam perangkap cermin ganda.
Tugas utama yang dihadapi tim instalasi GOL-3 hari ini adalah pengembangan konsep reaktor termonuklir multi-cermin, serta verifikasi eksperimental ketentuan utama konsep ini.
Bukan dengan roti saja... Tapi dengan roti juga
Penelitian plasma tidak dapat dilakukan tanpa diagnosa, dan oleh karena itu perkembangan Polri dapat dengan mudah dibeli. Institut mengadakan kontrak untuk penyediaan beberapa alat diagnostik, para peneliti mengembangkan dan merakit alat-alat ini di bengkel mereka sendiri. Pada dasarnya, ini adalah injektor diagnostik, tetapi ada juga beberapa perangkat optik, interferometer, dll. Hal-hal tidak berhenti: POLRI juga tahu cara menghasilkan uang.
literatur
1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov sama sekali. Pemanasan dan pengurungan plasma dalam perangkap multimirror GOL-3 // Transaksi Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Fusion. - 2007. - Jil. 51. - Tidak. 2t. - hal. 106-111.
2. A. V. Arzhannikov, V. T. Astrelin, A. V. Burdakov, I. A. Ivanov, V. S. Koidan, S. A. Kuznetsov, K. I. Mekler, dan S. V. Polosatkin, V. V. Postupaev, A. F. Rovenskikh, S. L. Sinitsky, S. L. Sinitsky Investigasi mekanisme pemanasan cepat ion dalam perangkap cermin ganda GOL-3 // Plasma Phys. - 2005. - T. 31. - No. 6. - S. 506-520.
