Buka jebakan

Perangkap terbuka adalah salah satu jenis instalasi pengurungan magnetik plasma termonuklir. Perangkap terbuka memiliki sejumlah keunggulan penting dibandingkan sistem penahanan lainnya: perangkap ini menarik dari sudut pandang teknik; mereka secara efektif menggunakan medan magnet yang membatasi plasma; mereka mengizinkan pekerjaan dalam mode stasioner; mereka memecahkan masalah menghilangkan produk reaksi termonuklir dan kotoran berat dari plasma dengan cara yang relatif sederhana. Namun, untuk waktu yang lama diyakini bahwa prospek perangkap terbuka sebagai dasar reaktor termonuklir diragukan karena tingginya tingkat kehilangan plasma di sepanjang garis medan magnet. Situasi ini baru berubah menjadi lebih baik dalam dekade terakhir, ketika sejumlah perbaikan terhadap perangkap terbuka telah diusulkan, yang sebagian besar telah menghilangkan kelemahan ini. Tinjauan tersebut menguraikan prinsip-prinsip fisik dari jenis perangkap terbuka baru (ambipolar, sentrifugal, cermin ganda, gas-dinamis, dll.), menjelaskan keadaan penelitian terkini mengenai perangkap tersebut, dan membuat perkiraan untuk prospek masa depan sistem ini. Kemungkinan penggunaan perangkap terbuka sebagai generator neutron fluks tinggi dengan energi 14 MeV sedang dipertimbangkan. sakit. 29. Daftar Pustaka. referensi 97 (102 judul).

Para ilmuwan di Institut Fisika Nuklir (INP) telah mencapai pemanasan plasma yang stabil hingga 10 juta derajat Celcius, NSN melaporkan Wakil Direktur Riset Polri Alexander Ivanov. Ilmuwan tersebut menjelaskan prospek apa yang terbuka dari perkembangan ini dan mengapa hal ini, pada prinsipnya, menghilangkan penciptaan limbah radioaktif.

- BINP mulai mempertimbangkan opsi untuk membuat sistem termonuklir berdasarkan jebakan terbuka. Apa artinya ini?

Jika kita berbicara tentang pemanasan 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 ditampung dalam bejana berdinding material - meskipun sangat tebal, mereka tetap akan terbakar. Untuk menghindari hal tersebut, yakni mempertahankan plasma panas, setidaknya ada dua cara.

Yang pertama adalah ketika plasma ditempatkan dalam medan magnet toroidal yang kuat, yang mengubah lintasan partikel plasma, setelah itu mereka mulai bergerak melingkar di sekitar garis medan magnet. Dalam hal ini, plasma tidak bergerak melintasi medan magnet, sehingga tidak menimbulkan aliran panas. Prinsip ini menjadi dasar instalasi tokamak, yang berbentuk “donat” dengan medan magnet di dalamnya, yang diusulkan di negara kita untuk membatasi plasma secara magnetis untuk fusi termonuklir terkendali. Dalam perlombaan gagasan tentang cara menciptakan Matahari di Bumi, instalasi ini kini memimpin.

Ada sistem lain. Sederhananya, ini adalah tabung perangkap terbuka panjang dengan medan magnet memanjang, di mana plasma dijaga agar tidak bersentuhan dengan dinding, namun menyebar relatif bebas dan mengenai dinding ujung. Dalam perangkap ini, kita telah belajar membuatnya sehingga kehilangan panas di sepanjang medan magnet sangat berkurang dibandingkan dengan pemuaian bebas plasma.

- Seberapa jauh kita akan menciptakan reaktor termonuklir?

Ada reaktor yang prinsip operasinya berdasarkan tokamaks, ada pula yang menggunakan perangkap terbuka, dan ada juga, misalnya, sistem berdenyut, ketika setetes bahan bakar tritium-deuterium dinyalakan dengan laser, dan terbakar dalam sepersejuta detik, menyediakan energi.

Sedangkan untuk tokamaks, dalam 10 tahun reaktor ITER besar akan diluncurkan di Prancis - sebuah struktur siklop dengan kompleksitas besar, tempat pembakaran plasma termonuklir akan didemonstrasikan. Selain itu, suhu di sana kira-kira 10 kali lebih tinggi dibandingkan suhu yang bisa kita peroleh saat ini di perangkap terbuka.

Namun, 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-bahan reaktor termonuklir masa depan. (Artinya, dinding tokamaks selama pengujian akan terkena aliran neutron yang sangat kuat, dan dengan demikian para ilmuwan akan dapat mensimulasikan situasi sepenuhnya.) Sumber neutron juga dapat digunakan sebagai penggerak reaktor fisi subkritis - sumber tersebut dimasukkan di dalam sistem reaktor nuklir yang beroperasi pada koefisien penguatan yang kurang dari satu. Hal ini sangat meningkatkan keamanan sistem subkritis, yang pada prinsipnya menghilangkan kemungkinan kecelakaan tipe Chernobyl.

- Terobosan seperti apa yang “penuh dengan” pencapaian Anda?

Sekarang kami para ahli nuklir Rusia telah mencapai tingkat di mana kami dapat mulai merancang prototipe sumber neutron yang begitu kuat. Jika kita melihat jangka panjang, saya tidak melihat batasan untuk tidak menaikkan suhu pemanasan plasma tidak sampai 10 juta, tapi, katakanlah, sampai 300 juta derajat.

Berdasarkan premis ini, kami di BINP sedang mempertimbangkan kemungkinan untuk menciptakan perangkap generasi berikutnya, yang parameternya akan ditingkatkan secara signifikan. Dan kami akan secara serius memikirkan untuk membuat reaktor ITER alternatif. Jika semua ini berhasil, reaktor termonuklir kita yang berbasis perangkap terbuka mungkin jauh lebih menarik secara komersial daripada reaktor termonuklir yang berbasis tokamaks, dan struktur yang dibuat di Prancis tidak dapat bersaing dengannya dalam hal kesederhanaan teknis.

Kita sekarang telah mencapai tingkat di mana kita dapat mulai merancang prototipe sumber neutron yang begitu kuat. Jika kita melihat jangka panjang, saya tidak melihat batasan untuk tidak menaikkan suhu pemanasan plasma tidak sampai 10 juta, tapi, katakanlah, sampai 300 juta derajat.

Berdasarkan premis ini, kami di BINP sedang mempertimbangkan kemungkinan untuk menciptakan perangkap generasi berikutnya, yang parameternya akan ditingkatkan secara signifikan. Dan kami akan secara serius memikirkan untuk membuat reaktor alternatif. Jika semuanya berhasil, reaktor fusi berbasis perangkap terbuka mungkin lebih menarik secara komersial daripada reaktor fusi berbasis tokamaks.

- Reaktor berdasarkan perangkap terbuka... dalam hal apa lagi mereka lebih disukai daripada tokamaks?

Kami berharap kemunculan reaktor berbasis open trap yang sedang kami kerjakan dapat terwujud dengan pengembangan tertentu. Mereka memiliki keunggulan tertentu dibandingkan tokamaks. Yang terakhir namun tidak kalah pentingnya, yang saya maksud adalah kemungkinan mengerjakan bahan bakar termonuklir, yang tidak menghasilkan neutron sama sekali atau hanya menghasilkan sedikit neutron, yang tidak menimbulkan masalah penyimpanan jangka panjang dan pembuangan limbah radioaktif.

Mari kita perhatikan bahwa Institut Fisika Nuklir telah mengumumkan rencana untuk mengembangkan reaktor ITER alternatif. Lembaga berencana menyelesaikan dasar teknis dan ekonomi untuk proyek prototipe reaktor alternatif dengan kode nama GDML (Gas Dynamic Trap).

Dasar fisik dari desain reaktor termonuklir berdasarkan perangkap terbuka

Institut Fisika Nuklir dinamai menurut namanya. SB RAS, Novosibirsk, RF, *****@***ru
*Universitas Negeri Novosibirsk, Novosibirsk, Federasi Rusia
**Universitas Teknik Negeri Novosibirsk, Novosibirsk, Federasi Rusia

Sehubungan dengan pengembangan jenis baru perangkap aksisimetris terbuka dengan plasma padat dan penekan kerugian longitudinal beberapa cermin (GDMLS), perkiraan seperti apa reaktor termonuklir yang didasarkan pada perangkap tersebut menjadi sangat menarik. Secara khusus, perlu untuk mengevaluasi apakah penyalaan dapat dicapai di dalamnya, siklus bahan bakar apa yang dapat digunakan dan dalam kondisi apa, ukurannya, daya, dan karakteristik lainnya dibandingkan dengan karakteristik reaktor tokamak tipe ITER. Penilaian tersebut akan memungkinkan untuk menentukan arah pengembangan di mana perangkap terbuka akan tetap kompetitif dibandingkan dengan tokamaks sebagai reaktor fusi. Tujuan kedua dari pekerjaan ini adalah untuk meninjau masalah fisik dan teknik yang terkait dengan pengurungan plasma dalam berbagai jenis perangkap, dan bagaimana penyelesaiannya dalam sistem seperti HDML.

Tinjauan tersebut menunjukkan bahwa perangkap dapat dianggap terdiri dari dua subsistem - inti pusat dan sistem untuk menekan kerugian longitudinal di sepanjang tepinya. Zona aktif pusat harus berupa ruang cermin panjang dengan bidang kuasi-seragam dan rasio cermin kecil sekitar 1,5. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa meningkatkan medan magnet pembatas, dan akibatnya, kepadatan plasma, ternyata jauh lebih menguntungkan 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 memuat plasma dengan b~0,6 yang tinggi, dengan kerugian transversal yang rendah. Inti dapat ditutup dengan dua jenis sistem penekan kerugian longitudinal - ambipolar dan multi-cermin, dan prinsip-prinsip ini dapat digabungkan dalam satu perangkat. Dalam hal ini, komponen elektronik panas ditahan oleh potensial elektrostatis, dan elektron dingin dari pelat ujung dikunci dalam ekspander oleh potensial Yushmanov. Cara ini juga telah diuji pada instalasi GDL. Selain itu, penghalang termal dapat digunakan. Efektivitas komparatif dari berbagai sistem retensi longitudinal dipertimbangkan. Kerugian transversal dalam konfigurasi optimal harus setengah dari total kerugian. Dengan kondisi ini, ketika mengoptimalkan sistem secara keseluruhan, hanya akan mempengaruhi radius plasma dan daya reaktor. Kondisi penyalaan dan pembakaran kondisi tunak (dengan mempertimbangkan perubahan komposisi plasma akibat akumulasi produk pembakaran) dalam reaktor berdasarkan skema yang dijelaskan dengan siklus bahan bakar D-T, D-D dan D-He3 dipertimbangkan. Batas penyalaan dan pembakaran diperoleh dari kombinasi suhu bBm2kL, di mana Bm adalah medan magnet maksimum (pada colokan pertama), k adalah koefisien penekanan sistem akhir, L adalah panjang zona aktif. Perkiraan ukuran dan daya reaktor diperoleh berdasarkan keterbatasan dan skala teknis yang ada. Daya minimum reaktor D-T berdasarkan perangkap terbuka dan biayanya bisa jauh lebih rendah dibandingkan sistem seperti ITER.

literatur

Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. dkk. dalam Fusi untuk Neutron dan Fisi Nuklir Subkritis", Prosiding Konferensi AIP, 2012, v. 1442, hal. 147

Perangkap fusi

Institut Fisika Nuklir, seperti semua institut Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Cabang Siberia, relatif muda: pada tahun 2008 usianya baru 50 tahun - sama dengan usia rata-rata karyawannya. Sungguh menggembirakan melihat baru-baru ini banyak mahasiswa pascasarjana dan sarjana bermunculan di BINP yang berencana melanjutkan penelitian ilmiahnya di dalam BINP. Diketahui bahwa generasi muda saat ini tertarik pada hal-hal yang menarik, yang memiliki prospek untuk berkembang. Dan di Polri tentu saja ada prospek seperti itu. Perlu juga ditekankan bahwa melakukan eksperimen modern yang paling rumit memerlukan upaya bukan dari satu orang, tetapi tim kuat yang terdiri dari orang-orang yang berpikiran sama. Itulah mengapa masuknya kekuatan baru sangat penting bagi institut...

Plasma adalah suatu hal yang misterius,
memiliki properti organisasi mandiri

Plasma adalah gas yang terionisasi penuh atau sebagian yang muatan negatif total partikelnya sama dengan muatan positif total. Dan oleh karena itu, secara umum, ia adalah media yang netral secara listrik, atau, seperti yang dikatakan fisikawan, ia memiliki sifat kuasinetralitas. Keadaan materi ini dianggap sebagai keadaan agregasi keempat (setelah padat, cair dan gas) dan merupakan bentuk keberadaan normal pada suhu sekitar 10.000 derajat Celcius ke atas.

Penelitian mengenai keadaan materi yang tidak biasa di alam ini telah berlangsung selama lebih dari satu abad. Sejak paruh kedua abad ke-20, “arahan umum” adalah penerapan reaksi fusi termonuklir (CTF) yang terkendali dan mandiri. Gumpalan plasma bersuhu tinggi tersebar luas di Alam Semesta: sebut saja Matahari dan bintang-bintang. Namun di Bumi jumlahnya sangat sedikit. Partikel kosmik dan angin matahari mengionisasi lapisan atas cangkang atmosfer bumi (ionosfer), dan plasma yang dihasilkan tertahan oleh medan magnet bumi. Dengan kata lain, ini adalah semacam jebakan magnet bumi. Selama periode peningkatan aktivitas matahari, aliran partikel bermuatan dari angin matahari merusak magnetosfer planet. Karena perkembangan ketidakstabilan hidromagnetik, plasma menembus atmosfer bagian atas di wilayah kutub - dan gas atmosfer, berinteraksi dengan partikel plasma bermuatan, tereksitasi dan dipancarkan. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya fenomena aurora yang hanya dapat diamati di kutub.

Selain “arahan umum” dalam kajian fisika plasma, ada pula arahan terapan lainnya yang tidak kalah pentingnya. Hal ini menyebabkan munculnya berbagai teknologi baru: pemotongan plasma, pengelasan, dan perawatan permukaan logam. Plasma dapat digunakan sebagai fluida kerja pada mesin pesawat ruang angkasa dan lampu neon untuk penerangan. Penggunaan teknologi plasma telah menyebabkan revolusi nyata dalam mikroelektronika. Tidak hanya kinerja prosesor yang meningkat secara signifikan dan kapasitas memori yang meningkat, namun jumlah bahan kimia yang digunakan dalam produksi juga telah berkurang secara signifikan - sehingga tingkat kerusakan lingkungan dapat diminimalkan.

Plasma padat bersuhu tinggi hanya ada di bintang, di Bumi hanya dapat diperoleh dalam kondisi laboratorium. Keadaan materi yang tidak biasa ini memukau imajinasi dengan banyaknya derajat kebebasan dan, pada saat yang sama, kemampuan untuk mengatur diri sendiri dan merespons pengaruh eksternal. Misalnya, plasma dapat ditahan dalam medan magnet, menyebabkannya berubah bentuk. Namun, ia berusaha untuk menerima keadaan yang paling menguntungkannya, yang sering kali mengarah pada berkembangnya berbagai ketidakstabilan, dan, seperti organisme hidup, melepaskan diri dari “kandang” kaku perangkap magnet jika konfigurasinya jebakan ini tidak cocok untuknya. Oleh karena itu, tugas fisikawan adalah menciptakan kondisi sedemikian rupa sehingga plasma stabil, “hidup” dalam perangkap dalam waktu yang lama dan tenang, serta memanas hingga suhu termonuklir sekitar 10 juta derajat Celcius.

Saat ini, dua perangkap plasma besar yang unik berhasil beroperasi di BINP, yang merupakan hasil penerapan praktis dari ide dan prinsip orisinal yang lahir di dalam dinding institut. Ini adalah perangkap tipe terbuka, sangat berbeda dari sistem magnet tertutup yang populer. Mereka kagum dengan keagungan misteriusnya dan sekaligus kemudahan pengoperasiannya. Sepanjang sejarah pekerjaan di fasilitas tersebut, para ilmuwan telah berhasil memperoleh hasil penting dalam pemanasan dan pembatasan plasma panas padat, serta membuat sejumlah penemuan terkait dengan sifat dasar wujud materi keempat ini. Setiap tahun menghadirkan sesuatu yang baru dan tidak biasa dalam satu atau lain kondisi kehidupan dalam perangkap ketika mengubah konfigurasi medan magnet, ketika menciptakan medan listrik, ketika menambahkan berbagai pengotor, serta ketika menyuntikkan sinar kuat ke dalam plasma dan “menyelidiki” plasma. dengan berbagai diagnostik. Dan plasma, yang “bereaksi” terhadap tindakan tersebut, meskipun enggan, berbagi rahasia terdalamnya dengan para peneliti...

Perangkap dinamis gas (GDT)

Instalasi GDL, yang dibuat di Institut Fisika Nuklir Novosibirsk pada tahun 1986, termasuk dalam kelas perangkap terbuka dan berfungsi untuk menampung plasma dalam medan magnet.

Konfigurasi medan magnet dalam perangkap simetris aksial terbuka klasik adalah daerah memanjang dari medan magnet seragam dengan maksimum di tepinya, yang dicapai dengan menggunakan kumparan cincin dari medan magnet yang kuat. Area di bawah kumparan ini (area ruang yang ditempati oleh medan magnet yang mencapai nilai maksimumnya) biasanya disebut “sumbat magnet”, dan jebakan yang disusun menurut prinsip ini disebut “sel cermin”. Dalam kasus yang paling sederhana, medan magnet dalam sel cermin hanya diciptakan oleh cermin magnet.

Partikel plasma bermuatan (elektron negatif dan ion positif) bergerak sepanjang garis medan magnet di antara cermin magnet, dipantulkan darinya dan dengan demikian melakukan gerakan osilasi. Partikel dengan energi kinetik yang cukup untuk mengatasi hambatan potensial sumbat meninggalkan perangkap dalam satu penerbangan.

Perbedaan antara perangkap gas-dinamis (GDT) dan sel cermin konvensional yang dijelaskan di atas adalah luasnya bagian medan homogen di tengah perangkap dan “rasio cermin” yang sangat besar (rasio R = B 1 /B 2 nilai medan magnet di cermin dan di tengah perangkap). Dalam konfigurasi ini, jalur bebas rata-rata ion kecil dibandingkan dengan panjang penampang medan magnet seragam, sehingga aliran keluar plasma dari instalasi terjadi sesuai dengan hukum dinamika gas, mirip dengan aliran keluar gas ke dalam. penyedot debu dari bejana berlubang kecil, yang menjelaskan nama instalasinya. Dengan membuat “lubang” pada cermin magnet menjadi sangat kecil dan volume yang ditempati oleh plasma menjadi besar, maka dimungkinkan untuk memperoleh waktu pengurungan plasma yang cukup untuk melakukan reaksi termonuklir yang terkendali. Benar, panjang reaktor cermin seperti itu akan mencapai beberapa kilometer. Namun, penggunaan berbagai perangkat, yang disebut sumbat ambipolar, yang mengurangi aliran plasma ke sumbat, akan mengurangi panjang perangkap hingga batas yang wajar. Oleh karena itu, prospek reaktor dengan jebakan seperti itu tetap menarik. Penerapan termonuklir yang paling menjanjikan dari skema pengurungan plasma adalah penciptaan, berdasarkan GDT, sumber neutron cepat yang sederhana dan andal dengan energi 14 MeV, yang dihasilkan dari 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 menjadikan tenaga nuklir modern aman. Proyek sumber neutron berdasarkan perangkap gas-dinamis telah dikembangkan selama bertahun-tahun di Institut Fisika Nuklir. Untuk menguji prediksi teori secara praktis dan mengumpulkan database untuk pembuatan sumber neutron, model eksperimental perangkap gas-dinamis - instalasi GDL - dibuat di Institut Fisika Nuklir SB RAS.

Saat ini, komunitas ilmiah internasional, yang berupaya 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-stasiun yang akan beroperasi selama beberapa dekade dan bahkan berabad-abad, saat ini perlu untuk memilih bahan yang dapat diandalkan yang dapat menahan fluks neutron yang kuat sepanjang masa pakainya. . Untuk menguji bahan tersebut, diperlukan sumber neutron yang kuat. BINP telah mengembangkan proyek untuk sumber tersebut berdasarkan GDL selama bertahun-tahun.
Semua prinsip fisika yang mendasari sumber neutron kompak dan relatif murah berdasarkan perangkap gas-dinamis terbuka saat ini sedang dipelajari dalam eksperimen nyata mengenai akumulasi, pengurungan, dan pemanasan plasma dalam instalasi GDT. Saat ini, pengukuran langsung fluks neutron yang dipancarkan sedang dilakukan dalam percobaan dengan injeksi deuterium. Reaksi fusi deuterium-deuterium dengan parameter percobaan yang diberikan, secara umum menghasilkan fluks yang kecil dibandingkan dengan reaksi deuterium-tritium. Namun untuk pengecekan perhitungan model yang rencananya akan digunakan kedepannya untuk perhitungan reaktor sumber sudah cukup memadai. Bulan Desember ini, instalasinya genap berusia 22 tahun: plasma pertama diperoleh pada akhir tahun 1985. Pihak yang membangun dan meluncurkannya masih bekerja di laboratorium hingga saat ini.
Namun tim juga telah diisi ulang dengan karyawan baru, muda dan energik: beberapa dari mereka seumuran dengan instalasi 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 sumbat, dirancang untuk menampung plasma dua komponen.

Salah satu komponennya - plasma "target" hangat - memiliki suhu elektron dan ion hingga 100 eV (kira-kira 1.200.000 derajat Celcius) dan kepadatan ~ 5 · 10 19 partikel per meter kubik. Komponen ini dicirikan oleh mode pengurungan 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 berkas atom kuat dalam plasma target, disuntikkan secara miring ke dalam perangkap menggunakan perangkat khusus - injektor atom netral. Komponen cepat ini dicirikan oleh mode pengekangan yang sama seperti pada sel cermin klasik: ion cepat bergerak dalam orbit magnetik sepanjang garis medan magnet dan dipantulkan dari wilayah dengan medan magnet kuat. Dalam hal ini, ion cepat melambat ketika berinteraksi dengan partikel plasma target (terutama elektron) dan memanaskannya hingga 100 eV atau lebih. Dengan injeksi miring dan hamburan sudut partikel yang kecil, kerapatan ion cepat menjadi sangat memuncak (besar) di dekat daerah refleksi, dan keadaan ini paling menarik untuk penerapan sumber neutron. Faktanya adalah fluks neutron dalam reaksi fusi sebanding dengan kuadrat massa jenis ion deuterium dan tritium. Oleh karena itu, dengan pengambilan kepadatan seperti itu, ia akan terkonsentrasi hanya di area pemberhentian, di mana “zona uji” akan ditempatkan. Ruang instalasi lainnya akan mengalami beban neutron yang jauh lebih rendah, sehingga menghilangkan kebutuhan akan perlindungan neutron yang mahal pada semua komponen generator.

Masalah penting dalam pembuatan reaktor dan sumber neutron berdasarkan sel cermin simetris aksial adalah stabilisasi plasma melintasi medan magnet. Dalam skema GDT, hal ini dicapai berkat bagian tambahan khusus dengan profil medan magnet yang mendukung stabilitas, yang terletak di belakang sumbat magnet 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, tidak seperti sistem tertutup seperti tokamak atau stellarator, plasma mengalir keluar dari perangkap terbuka dan masuk ke penerima plasma. Dalam hal ini, elektron dingin yang dipancarkan oleh aliran dari permukaan penerima plasma dapat menembus kembali ke dalam perangkap dan mendinginkan plasma secara signifikan. Dalam percobaan yang mempelajari kurungan memanjang di instalasi GDL, dimungkinkan untuk menunjukkan bahwa medan magnet yang meluas di belakang sumbat di depan penerima plasma di tangki akhir - ekspander - mencegah penetrasi elektron dingin ke dalam perangkap dan memberikan isolasi termal yang efektif dari dinding ujung.

Dalam kerangka program eksperimental GDL, pekerjaan berkelanjutan sedang dilakukan terkait dengan peningkatan stabilitas, suhu target, dan kepadatan partikel plasma cepat; dengan studi tentang perilakunya dalam berbagai kondisi operasi instalasi, dll. Studi tentang sifat-sifat dasar juga sedang dilakukan. Perlu ditekankan bahwa jangkauan kepentingan ilmiah dan penelitian terkait plasma sangat luas.

Instalasi GDL dilengkapi dengan alat diagnostik paling modern. Kebanyakan dari mereka dikembangkan di laboratorium kami dan, antara lain, dipasok ke laboratorium plasma lain, termasuk laboratorium asing, berdasarkan kontrak.

Tim ilmuwan, insinyur, dan teknisi yang melakukan penelitian di fasilitas GDT berjumlah kecil, namun sangat mampu. Kualifikasi tingkat tinggi dari semua anggotanya membantu mereka mencapai hasil yang tinggi. Selain itu, tenaga kerja ilmiah terus diisi ulang dengan “darah muda” - lulusan Universitas Negeri Novosibirsk dan Universitas Teknik Negeri Novosibirsk. Mahasiswa berbagai mata kuliah yang menjalani pelatihan praktek di laboratorium, sejak hari pertama berperan aktif dalam eksperimen, sehingga memberikan kontribusi langsung terhadap penciptaan pengetahuan baru. Setelah kursus pertama, mereka tetap mengikuti pelatihan praktek di laboratorium, berhasil mempertahankan ijazahnya, masuk sekolah pascasarjana dan mempersiapkan disertasi kandidatnya. Kami tidak akan menyembunyikan bahwa hal ini membuat kami, para pemimpin ilmiah, sangat bahagia.

Jebakan lain - "GOL-3" - dan sudut pandang yang sedikit berbeda tentang fusi termonuklir

Umat ​​​​manusia sedang mengalami kekurangan listrik, dan dalam waktu dekat masalah ini akan menjadi prioritas: cadangan bahan bakar - minyak dan gas - yang digunakan di pembangkit listrik utama modern, sayangnya, semakin menipis. Oleh karena itu, reaktor termonuklir harus menjadi basis industri tenaga listrik masa depan.

Reaksi termonuklir adalah reaksi fusi inti ringan, seperti isotop hidrogen deuterium dan tritium, yang melepaskan energi dalam jumlah besar. Reaksi ini memerlukan suhu tinggi - lebih dari 10 juta derajat Celcius. Diketahui bahwa zat apa pun yang bersuhu lebih dari 10 ribu derajat Celcius menjadi plasma. Kontak dengan benda padat menyebabkan pendinginan seketika dan penghancuran permukaan benda padat secara eksplosif, sehingga plasma harus diisolasi dari strukturnya: untuk tujuan ini plasma ditempatkan dalam medan magnet.

Sangat sulit untuk memanaskan suatu zat hingga suhu yang sangat tinggi dan menahannya dalam medan magnet untuk waktu yang lama - dan oleh karena itu banyak ahli menganggap fusi termonuklir terkendali (CTF) sebagai tugas tersulit yang pernah dihadapi umat manusia.

Instalasi GOL-3 di Institut Fisika Nuklir SB RAS dirancang untuk memanaskan dan menampung plasma termonuklir dalam medan magnet multi-cermin. Instalasinya terdiri dari tiga bagian utama: akselerator U-2, solenoid 12 meter (unit untuk menciptakan medan magnet yang kuat) dan unit keluaran.

Berkas elektron yang digunakan dalam instalasi ini diciptakan oleh akselerator terkuat di dunia (di kelasnya) U-2. Di dalamnya, elektron ditarik oleh medan listrik dari katoda emisi eksplosif dan dipercepat dengan tegangan sekitar 1 juta volt. Pada arus 50.000 Amps, daya sistem mencapai 50 GW. (Tetapi seluruh Novosibirsk mengkonsumsi energi 20 kali lebih sedikit pada siang hari.) Dengan durasi pancaran sekitar 8 mikrodetik, ia mengandung energi hingga 200.000 J (setara dengan ledakan granat tangan).

Dalam solenoida utama, ketika berkas melewati plasma deuterium dengan kepadatan n = 10 20 -10 22 partikel per meter kubik, karena perkembangan ketidakstabilan dua aliran, terjadi turbulensi mikro tingkat besar dan berkas kehilangan arah. hingga 40% energinya, mentransfernya ke elektron plasma. Laju pemanasannya sangat tinggi: dalam 3-4 mikrodetik, elektron plasma dipanaskan hingga suhu sekitar 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 instalasi 2XIIB di AS, suhunya tidak melebihi 300 eV dibandingkan 2.000-4.000 eV di GOL-3).

Medan magnet pada solenoid utama bersifat multicermin (55 sel cermin), yaitu medan bolak-balik maksimal (5 T) dan minimum (3 T), dan jarak antara maksimal (22 cm) berorde panjang jalur ion. Hal ini menyebabkan: jika sebuah ion meninggalkan sel cermin tunggal dan terbang sepanjang medan magnet, maka di sel cermin tetangganya ia akan bertabrakan dengan partikel lain, akibatnya ion tersebut dapat ditangkap oleh sel cermin tetangganya, dan kemudian ia dapat ditangkap oleh sel cermin tetangganya. akan “lupa” kemana ia terbang. Dengan demikian, perluasan plasma dari perangkap melambat secara signifikan. Namun waktu retensi plasma panas pada GOL-3 mencapai 1 milidetik, yang dapat dianggap sebagai pencapaian para ilmuwan yang tidak diragukan lagi.

Banyaknya cermin menyebabkan ketidakhomogenan dalam 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 terhadap penekanan konduktivitas termal elektronik yang kuat (lebih dari seribu kali lipat), sehingga ketidakhomogenan suhu tidak seimbang, dan akibatnya, terjadi perbedaan besar dalam tekanan plasma: karena alasan ini, plasma mulai bergerak secara keseluruhan. Dari daerah bertekanan tinggi ke tekanan minimum di kedua sisi, dua aliran plasma yang berlawanan mulai bergerak, yang bertabrakan dan memanas hingga suhu 1-2 keV (sedikit lebih tinggi daripada di pusat Matahari). Mekanisme pemanasan cepat ini ditemukan pada GOL-3 empat tahun lalu selama percobaan. Dari teori tersebut disimpulkan bahwa hal itu harus disertai dengan lonjakan tajam dalam kepadatan plasma, yang segera ditemukan oleh hamburan sinar laser Thomson.

Setelah melewati solenoid utama, berkas tersebut memasuki simpul keluaran, yang mampu menerima berkas elektron yang kuat, serta aliran plasma, tanpa dimusnahkan. Untuk melakukan ini, medan magnet pada simpul keluaran harus berbeda, yang mengurangi kepadatan energi dalam berkas sebanyak 50 kali lipat, dan penerima berkas harus berupa grafit. Keunikan grafit, pertama, tidak mempunyai fasa cair, langsung menguap; kedua, ia memiliki kepadatan yang rendah (2 g/cm 3 ), karena jangkauan elektron di dalamnya lebih tinggi daripada logam, dan oleh karena itu, energi dilepaskan dalam volume yang lebih besar dan tidak melebihi ambang batas kehancuran eksplosif dari grafit, dan oleh karena itu erosi grafit kecil - sekitar 1 mikron per tembakan. Kehadiran aliran plasma yang kuat pada keluaran instalasi memungkinkan dilakukannya percobaan iradiasi bahan untuk reaktor termonuklir masa depan: reaktor ini akan mengalami beban termal tingkat tinggi sehingga masih tidak realistis untuk dilakukan. capai dalam instalasi plasma lainnya saat ini.

Tugas penting lainnya yang dapat diselesaikan dengan menggunakan node keluaran adalah memastikan keamanan pengangkutan berkas melalui solenoid utama. Rumitnya permasalahan terletak pada arus pancaran pada solenoid (30 kA) lebih besar dari ambang batas stabilitas (untuk kamera GOL-3 - 12 kA), sehingga pancaran tidak stabil dan dapat terlempar ke dinding. atau struktur intra-ruangan, yang akan menyebabkan kehancurannya. Untuk tujuan ini, sebelum injeksi berkas, pelepasan (petir) harus disambar di simpul keluaran, dan kemudian solenoid utama akan diisi dengan plasma awal yang relatif dingin (beberapa eV), di mana, ketika berkas elektron disuntikkan, a arus berlawanan diinduksi, dan ini sepenuhnya mengkompensasi arus pancaran, yang secara umum akan menjamin stabilitas sistem (arus total tidak akan melebihi 3 kA).

Salah satu masalah CTS yang paling serius adalah stabilitas plasma, yaitu terciptanya kondisi di mana plasma tidak dapat keluar dari perangkap melintasi medan magnet karena berkembangnya berbagai ketidakstabilan plasma. Untuk jebakan terbuka, yang paling berbahaya adalah ketidakstabilan alur. Esensinya adalah plasma mendorong garis-garis gaya magnet dan menyelinap keluar di antara garis-garis tersebut. Dalam plasma GOL-3, ketidakstabilan ini ditekan karena pergeseran garis medan magnet pada jari-jari plasma yang berbeda, yang timbul karena konfigurasi kompleks arus dalam plasma. Arus pancaran mengalir di tengah plasma, dan juga terdapat turbulensi tingkat tinggi. Arus balik mengalir melalui plasma, tetapi karena turbulensi di pusatnya, resistansinya meningkat - dan arus balik mengalir sepanjang permukaan kabel plasma. Arus garis lurus menciptakan medan magnet melingkar di sekelilingnya, yang bersama dengan medan longitudinal solenoid, menghasilkan medan magnet spiral. Pada jari-jari yang berbeda, arusnya berbeda (dan mengalir ke arah yang berbeda) - oleh karena itu, nada dan arah spiral juga berbeda. Itulah sebabnya ketika alur plasma mendorong garis-garis medan magnet terpisah pada radius yang sama, alur tersebut bertemu dengan garis-garis medan pada sudut yang berbeda dan tidak dapat memisahkannya - dengan cara inilah ketidakstabilan alur ditekan.

Mendiagnosis plasma panas juga merupakan tugas yang sulit, yaitu menentukan suhu, komposisi, kepadatan, kekuatan medan magnet, dan banyak lagi. Anda tidak dapat memasukkan termometer ke dalamnya - termometer bisa meledak - dan plasma akan menjadi dingin. Perlu menggunakan berbagai metode khusus, yang terbagi menjadi pasif dan aktif. Dengan menggunakan diagnostik pasif, Anda dapat mempelajari apa yang dikeluarkan plasma. Dengan bantuan yang aktif, suntikkan, misalnya, sinar laser atau berkas atom ke dalam plasma dan lihat apa yang keluar darinya.

Di antara diagnostik pasif, instalasi GOL-3 mengoperasikan detektor foton dan spektrometer di daerah tampak, ultraviolet, sinar-X dan gamma, detektor neutron, detektor netral pertukaran muatan, probe diamagnetik, dan sabuk Rogowski. Yang aktif mencakup beberapa sistem laser, injektor berkas atom, dan injektor butiran padat.

Meskipun tokamak sekarang paling dekat dengan parameter reaktor (memiliki suhu dan waktu pengurungan yang lebih tinggi), berkat GOL-3, perangkap multicermin juga dianggap sebagai varian reaktor fusi. Kepadatan plasma di GOL-3 hampir seratus kali lebih tinggi dibandingkan rata-rata di tokamak, terlebih lagi, tidak seperti tokamak, tidak ada batasan tekanan plasma di instalasi ini. Jika tekanannya sebanding dengan tekanan medan magnet (5 T menciptakan tekanan ~100 atmosfer), maka perangkap akan masuk ke mode pengekangan “dinding” - medan magnet yang didorong keluar dari plasma (karena plasma adalah diamagnetik) akan terkonsentrasi dan meningkat di dekat dinding ruangan dan masih mampu menahan plasma. Saat ini, tidak ada satu alasan pun yang secara mendasar membatasi pertumbuhan parameter termonuklir utama (n, T, dan waktu pengurungan) dalam perangkap multicermin.

Tugas utama yang dihadapi tim instalasi GOL-3 saat ini adalah pengembangan konsep reaktor termonuklir multi-cermin, serta verifikasi eksperimental terhadap ketentuan utama konsep tersebut.

Bukan dengan roti saja... Tapi dengan roti juga

Penelitian plasma tidak dapat dilakukan tanpa diagnostik, dan oleh karena itu pengembangan BINP mudah dibeli. Lembaga ini mengadakan kontrak untuk penyediaan alat diagnostik tertentu, dan para peneliti terlibat dalam pengembangan dan perakitan alat-alat ini di bengkel mereka sendiri. Ini sebagian besar adalah injektor diagnostik, tetapi ada juga beberapa perangkat optik, interferometer, dll. Masalahnya tidak berhenti: BINP juga tahu cara menghasilkan uang.

literatur

1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov secara umum. Pemanasan plasma dan pengurungan dalam perangkap multicermin GOL-3 // Transaksi Sains dan Teknologi Fusi. - 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, S.V. Studi tentang mekanisme pemanasan cepat ion pada perangkap multicermin GOL-3 // Fisika Plasma. - 2005. - T. 31. - No. 6. - Hal. 506-520.

Lebih dari setengah abad telah berlalu sejak pekerjaan fusi termonuklir terkendali dimulai di dunia. Solusi terhadap masalah ini harus menyediakan sumber energi yang hampir tak terbatas bagi umat manusia.

Pada awalnya, tampaknya masalah penggunaan fusi inti cahaya untuk menghasilkan energi secara damai dapat diselesaikan dengan cukup cepat, terutama karena ada contoh di dekatnya ketika kurang dari empat tahun berlalu dari uji coba pertama bom atom hingga pembuatannya. pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di Uni Soviet. Tetapi dengan fusi termonuklir terkendali, segalanya menjadi jauh lebih rumit, dan jalan menuju penerapannya ternyata jauh lebih panjang daripada yang terlihat pada awalnya.

Untuk mengatasi masalah ini, perlu dibuat plasma padat bersuhu tinggi, menahannya dalam waktu lama dan menggunakan energi reaksi nuklir yang terjadi di dalamnya. Diusulkan untuk menggunakan medan magnet yang kuat untuk membatasi plasma. Namun, dalam percobaan pertama ditemukan bahwa plasma dalam medan magnet berperilaku tidak terduga dan dengan cepat hilang dari perangkap. Butuh banyak waktu untuk memahami proses paling kompleks yang terjadi dalam plasma dan untuk melanjutkan pembuatan reaktor termonuklir.

Perangkap multi-cermin GOL-3 - persiapan untuk Eksperimen sedang berjalan lancar.

Hingga saat ini, dalam percobaan pada instalasi tipe tokamak toroidal (berbentuk donat - Red.), kemajuan signifikan telah dicapai dalam parameter plasma panas, yang memungkinkan untuk beralih langsung ke tugas membangun instalasi ITER, di dimana pembakaran plasma termonuklir akan dipertahankan dalam waktu lama pada tingkat daya 500 MW. Proyek ITER, tentu saja, sangat penting bagi seluruh umat manusia. Skalanya begitu besar sehingga penerapannya hanya mungkin dilakukan atas dasar kerja sama internasional yang luas.

Pada saat yang sama, bahkan demonstrasi pembakaran plasma termonuklir yang berhasil di ITER tidak berarti sama sekali bahwa reaktor termonuklir di masa depan akan dibangun berdasarkan tokamaks. Secara paralel, dalam studi tentang fisika plasma suhu tinggi, diusulkan untuk menggunakan perangkap terbuka dengan cermin magnetik, yang secara topologi berbeda dari tokamak, untuk menampungnya. Perangkap ini memiliki sejumlah keunggulan mendasar dibandingkan dengan tokamaks. Secara khusus, desainnya lebih sederhana, yang di masa depan mungkin menjadi argumen penting yang mendukung penggunaannya sebagai reaktor fusi. Namun, dalam praktiknya masih harus dibuktikan bahwa parameter plasma yang tinggi dapat dicapai dalam perangkap ini, yang masih jauh lebih rendah dari yang dibutuhkan. Kemajuan signifikan dalam arah ini telah dicapai dalam beberapa tahun terakhir dengan menggunakan fasilitas modern jenis ini dengan peningkatan pengurungan plasma di Institut Fisika Nuklir SB RAS, yang telah dan tetap menjadi salah satu pemimpin dunia dalam bidang penelitian ini.

Panel kontrol GOL-3.

Salah satu instalasi tersebut adalah perangkap multicermin GOL-3, di mana percobaan dilakukan dengan plasma padat (hingga 1023 m -3). Sejumlah hasil unik diperoleh dengan instalasi ini. Secara khusus, efek penekanan konduktivitas termal elektron longitudinal sebesar tiga kali lipat ditemukan karena perkembangan mikroturbulensi dalam plasma selama lewatnya berkas elektron relativistik, yang memungkinkan diperolehnya suhu elektron 4 keV dalam jebakan. Dalam konfigurasi magnet multicermin, efek pemanasan cepat ion hingga suhu 2 keV pada kepadatan plasma 1021 m -3 ditemukan dan dijelaskan. Parameter yang dicapai memungkinkan untuk mensimulasikan proses fisik dalam reaktor termonuklir multicermin. Selain itu, instalasi ini memungkinkan untuk mempelajari efek interaksi plasma panas elektron dengan permukaan tokamaks dengan plasma termonuklir.

Perangkap gas-dinamis GDL - prototipe sumber neutron yang kuat.

Lembaga ini mengusulkan dan segera menerapkan skema perangkap terbuka modern lainnya - yang disebut perangkap plasma dinamis gas (GPL). Panjang GDL dan besarnya medan magnet di pusat dan di ujung dipilih sedemikian rupa sehingga jalur bebas rata-rata efektif ion lebih kecil dari panjang instalasi. Dalam kondisi seperti itu, umur plasma ditentukan dengan cara yang sama seperti yang dilakukan ketika menghitung kehilangan gas biasa melalui lubang di bejana, yang dikaitkan dengan nama instalasinya. Masa pakai plasma dalam GDT tidak sensitif terhadap kemungkinan eksitasi mikrofluktuasi di dalamnya, dan hal ini membuat prediksi hasil eksperimen dan ekstrapolasinya ke kondisi reaktor dapat diandalkan. Keuntungan lain dari GDL adalah kemampuannya untuk memastikan stabilitas hidrodinamik plasma dalam konfigurasi aksisimetris. Kesimpulan teoretis ini telah dikonfirmasi secara eksperimental. Perangkap gas-dinamis memiliki prospek baik dalam hal reaktor murni maupun sebagai dasar untuk menciptakan sumber neutron termonuklir dalam ilmu material.

Karyawan muda grup GDL.

Pada instalasi GDL, injeksi berkas atom deuterium dengan daya total sekitar 4 MW memungkinkan peningkatan tekanan plasma dalam perangkap hingga hampir setengah tekanan medan magnet pembatas. Radiasi neutron yang diamati dalam hal ini terkonsentrasi terutama pada titik pemberhentian deuteron cepat yang disuntikkan ke dalam perangkap pada sudut 45 derajat. Pekerjaan sedang dilakukan untuk lebih meningkatkan daya dan durasi injeksi guna mereproduksi dalam percobaan kondisi yang akan ada dalam plasma deuterium-tritium dari sumber neutron dengan kerapatan fluks neutron 14 MeV sebesar 0,5 MW/m 2. Peningkatan lebih lanjut dalam injeksi akan meningkatkan kerapatan fluks neutron menjadi 2 MW/m 2, yang diperlukan untuk pengujian bahan reaktor tokamak termonuklir masa depan pada beban maksimum.

Foto oleh V.Novikov

A. Ivanov, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika, BINP