ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის (INP) მეცნიერებმა მიაღწიეს პლაზმის სტაბილურ გათბობას 10 მილიონ გრადუს ცელსიუსამდე, იტყობინება NSN. INP დირექტორის მოადგილე კვლევის საკითხებში ალექსანდრე ივანოვი. მეცნიერმა თქვა, რა პერსპექტივებს ხსნის ეს განვითარება და რატომ გამორიცხავს ის ძირითადად რადიოაქტიური ნარჩენების გამოჩენას.
- INP-მ დაიწყო ღია ხაფანგზე დაფუძნებული თერმობირთვული სისტემის შექმნის ვარიანტების განხილვა. Რას ნიშნავს ეს?
თუ ჩვენ ვსაუბრობთ პლაზმის 10 მილიონი გრადუსით გაცხელებაზე, უნდა გვახსოვდეს, რომ ეს ტემპერატურა უფრო მაღალია, ვიდრე მზის ცენტრში. ბუნებრივია, ასეთი ცხელი პლაზმა არ შეიძლება შეინახოს რაიმე სახის ჭურჭელში მატერიალური კედლებით - თუნდაც ძალიან სქელი იყოს, მაინც დაიწვება. ამის თავიდან ასაცილებლად, ანუ ცხელი პლაზმის შესანარჩუნებლად, მინიმუმ ორი გზა არსებობს.
პირველი არის, როდესაც პლაზმა მოთავსებულია ძლიერ ტოროიდულ მაგნიტურ ველში, რომელიც ცვლის პლაზმის ნაწილაკების ტრაექტორიას, რის შემდეგაც ისინი იწყებენ მოძრაობას წრეების გასწვრივ, რომლებიც ტრიალებს მაგნიტური ველის ხაზების გარშემო. ამ შემთხვევაში, პლაზმა არ მოძრაობს მაგნიტურ ველზე, სითბოს ნაკადის შექმნის გარეშე. ეს პრინციპი არის საფუძველი ტოკამაკის ინსტალაციებისთვის, რომლებსაც აქვთ "დონატის" ფორმა შიგნით მაგნიტური ველით, რომელიც შემოთავაზებულია ჩვენს ქვეყანაში პლაზმის მაგნიტური შეზღუდვისთვის კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმისთვის. იდეების რბოლაში, თუ როგორ შევქმნათ მზე დედამიწაზე, ეს დანადგარები ახლა ლიდერობენ.
ასევე არსებობს სხვა სისტემა. მარტივად რომ ვთქვათ, ეს არის გრძელი ღია ხაფანგის მილი გრძივი მაგნიტური ველით, სადაც პლაზმა დაცულია კედელთან კონტაქტისგან, მაგრამ შედარებით თავისუფლად ვრცელდება გასწვრივ და ურტყამს ბოლო კედლებს. ამ ხაფანგებში ჩვენ ვისწავლეთ, რომ მაგნიტური ველის გასწვრივ სითბოს დაკარგვა ძალიან შემცირდება პლაზმის თავისუფალ გაფართოებასთან შედარებით.
- რამდენად შორს ვართ თერმობირთვული რეაქტორის შექმნიდან?
არის ტოკამაკებზე დაფუძნებული რეაქტორები, არის ღია ხაფანგები და არის, მაგალითად, იმპულსური სისტემები, როდესაც ტრიტიუმ-დეიტერიუმის საწვავის წვეთი ლაზერით აალდება და წამის მემილიონედში იწვება და ენერგიას იძლევა.
რაც შეეხება ტოკამაკებს, 10 წელიწადში საფრანგეთი გაუშვებს დიდ ITER რეაქტორს - დიდი სირთულის ციკლოპურ ობიექტს, სადაც თერმობირთვული პლაზმის წვის დემონსტრირება მოხდება. ამავდროულად, იქ ტემპერატურა დაახლოებით 10-ჯერ მეტია, ვიდრე ახლა შეგვიძლია მივიღოთ ღია ხაფანგებში.
მაგრამ, მიუხედავად ამისა, 10 მილიონი გრადუს ტემპერატურაზე, ძალიან სასარგებლო რამ შეიძლება გაკეთდეს - კერძოდ, ნეიტრონების ძალიან ძლიერი წყარო, რომელიც საჭიროა, მაგალითად, მასალების შესამოწმებლად მომავალი თერმობირთვული რეაქტორისთვის. (ანუ ტესტირების დროს ტოკამაკების კედლები დაექვემდებარება ძალიან მძლავრ ნეიტრონულ ნაკადს და მეცნიერები ამგვარად შეძლებენ სიტუაციის სრულად სიმულაციას.) ასევე, ნეიტრონული წყაროები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც მამოძრავებელი ქვეკრიტიკული დაშლის რეაქტორებისთვის - ისინი ჩასმულია. ბირთვული რეაქტორის სისტემის შიგნით, რომელიც მუშაობს კოეფიციენტის გაძლიერებით, ერთიანობაზე ნაკლებია. ეს მნიშვნელოვნად ზრდის სუბკრიტიკული სისტემის უსაფრთხოებას, რაც პრინციპში გამორიცხავს ჩერნობილის მსგავსი ავარიების შესაძლებლობას.
- როგორი გარღვევაა თქვენი მიღწევებით?
ახლა ჩვენ რუსი ბირთვული სპეციალისტები მივაღწიეთ იმ დონეს, რომლითაც შესაძლებელია დავიწყოთ ასეთი ძლიერი ნეიტრონული წყაროების პროტოტიპების დაპროექტება. უფრო ვრცელ პერსპექტივაში რომ შევხედოთ, მე ვერ ვხედავ შეზღუდვებს, რათა პლაზმური გათბობის ტემპერატურა არ გაიზარდოს არა 10 მილიონამდე, არამედ, ვთქვათ, 300 მილიონ გრადუსამდე.
ამ გზავნილის საფუძველზე ჩვენ BINP-ში განვიხილავთ ხაფანგების შემდეგი თაობის შექმნის შესაძლებლობებს, რომელთა პარამეტრებიც მნიშვნელოვნად გაიზრდება. და ჩვენ სერიოზულად ვიფიქრებთ ალტერნატიული ITER რეაქტორის შექმნაზე. თუ ეს ყველაფერი წარმატებული იქნება, ღია ხაფანგზე დაფუძნებული ჩვენი შერწყმის რეაქტორი შესაძლოა კომერციულად უფრო მიმზიდველიც კი იყოს, ვიდრე ტოკამაკებზე დაფუძნებული და საფრანგეთში შექმნილი სტრუქტურა მას ტექნიკური სიმარტივით ვერ გაუწევს კონკურენციას.
ახლა ჩვენ მივაღწიეთ იმ დონეს, რომლითაც შესაძლებელია დავიწყოთ ასეთი ძლიერი ნეიტრონული წყაროების პროტოტიპების შექმნა. უფრო ვრცელ პერსპექტივაში რომ შევხედოთ, მე ვერ ვხედავ შეზღუდვებს, რათა პლაზმური გათბობის ტემპერატურა არ გაიზარდოს არა 10 მილიონამდე, არამედ, ვთქვათ, 300 მილიონ გრადუსამდე.
ამ გზავნილის საფუძველზე ჩვენ BINP-ში განვიხილავთ ხაფანგების შემდეგი თაობის შექმნის შესაძლებლობებს, რომელთა პარამეტრებიც მნიშვნელოვნად გაიზრდება. და ჩვენ სერიოზულად ვიფიქრებთ ალტერნატიული რეაქტორის შექმნაზე. თუ ყველაფერი კარგად წავიდა, ღია ხაფანგზე დაფუძნებული შერწყმის რეაქტორი შეიძლება კომერციულად უფრო მიმზიდველი იყოს, ვიდრე ტოკამაკებზე დაფუძნებული რეაქტორი.
- ღია ხაფანგზე დაფუძნებული რეაქტორები... კიდევ რაში სჯობია ისინი ტოკამაკებს?
ვიმედოვნებთ, რომ გარკვეული განვითარებით შესაძლებელი იქნება ღია ხაფანგის რეაქტორების გამოჩენა, რომლებზეც ამჟამად ვმუშაობთ. მათ აქვთ გარკვეული უპირატესობები ტოკამაკებთან შედარებით. დაბოლოს, რაც არანაკლებ მნიშვნელოვანია, ვგულისხმობ თერმობირთვულ საწვავზე მუშაობის შესაძლებლობას, რომელიც ან საერთოდ არ გამოიმუშავებს ნეიტრონებს, ან წარმოქმნის მათ ძალიან ცოტას, რაც არ არის სავსე რადიოაქტიური ნარჩენების გრძელვადიანი შენახვისა და განადგურების პრობლემათ.
გაითვალისწინეთ, რომ INP-მ უკვე გამოაცხადა ალტერნატიული ITER რეაქტორის შემუშავების გეგმები. ინსტიტუტი რუსეთის სამეცნიერო ფონდის დაფინანსებით ინსტიტუტის პროგრამის ფარგლებში, 2018 წლამდე გათვლილი ალტერნატიული რეაქტორის პირობითი სახელწოდებით GDML (გაზის დინამიური ხაფანგი) ტექნიკურ-ეკონომიკური საფუძვლების დასრულებას გეგმავს.
ღია ხაფანგზე დაფუძნებული შერწყმის რეაქტორის დიზაინის ფიზიკური საფუძვლები
ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტი. SB RAS, ნოვოსიბირსკი, რუსეთის ფედერაცია, *****@***ru
*ნოვოსიბირსკის სახელმწიფო უნივერსიტეტი, ნოვოსიბირსკი, რუსეთის ფედერაცია
** ნოვოსიბირსკის სახელმწიფო ტექნიკური უნივერსიტეტი, ნოვოსიბირსკი, რუსეთის ფედერაცია
ახალი ტიპის ღია ღერძული სიმეტრიული ხაფანგების შემუშავებასთან დაკავშირებით მკვრივი პლაზმით და გრძივი დანაკარგების ჩახშობის მრავალ სარკეებით (GMLL, ), დიდი ინტერესია შეფასებები იმის შესახებ, თუ როგორ შეიძლება გამოიყურებოდეს მათზე დაფუძნებული თერმობირთვული რეაქტორი. კერძოდ, აუცილებელია შეფასდეს, შესაძლებელია თუ არა მასში აალება, რა საწვავის ციკლებით შეიძლება იმუშაოს და რა პირობებში, მისი ზომები, სიმძლავრე და სხვა მახასიათებლები ITER-ის ტიპის ტოკამაკის რეაქტორის მახასიათებლებთან შედარებით. ასეთი შეფასებები ხელს შეუწყობს განვითარების მიმართულების განსაზღვრას, რომელშიც ღია ხაფანგები კონკურენტუნარიანი დარჩება ტოკამაკებთან, როგორც თერმობირთვულ რეაქტორთან შედარებით. ამ ნაშრომის მეორე მიზანია განიხილოს ფიზიკური და საინჟინრო პრობლემები, რომლებიც დაკავშირებულია პლაზმის ჩაკეტვასთან სხვადასხვა ტიპის ხაფანგებში და როგორ წყდება ისინი სისტემებში, როგორიცაა GDML.
მიმოხილვა აჩვენებს, რომ ხაფანგი შეიძლება ჩაითვალოს ორი ქვესისტემისგან - ცენტრალური ბირთვისა და კიდეებზე გრძივი დანაკარგების ჩახშობის სისტემებისგან. ცენტრალური აქტიური ზონა უნდა იყოს გრძელი სარკის უჯრედი კვაზი ჰომოგენური ველით და მცირე სარკის თანაფარდობით დაახლოებით 1,5. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ბევრად უფრო მომგებიანია შეზღუდვის მაგნიტური ველის და, შესაბამისად, პლაზმის სიმკვრივის გაზრდა, ვიდრე სარკის თანაფარდობის გაზრდა. ამავდროულად, მაქსიმალური მიღწევადი ველი შეზღუდულია სუპერგამტარების ტექნიკური შესაძლებლობებით. ქვემოდან, მაგნიტური სარკის თანაფარდობა შეზღუდულია დამუხტული რეაქციის პროდუქტების უმეტესი ნაწილის შენარჩუნების მოთხოვნით. როგორც ნაჩვენებია GDL ჯგუფის ნაშრომში, ასეთ მაგნიტურ კონფიგურაციაში შესაძლებელია პლაზმის შემცველობა მაღალი b~0,6, დაბალი განივი დანაკარგებით. ბირთვი შეიძლება დაიხუროს ორი ტიპის გრძივი დანაკარგების ჩახშობის სისტემით - ამბიპოლარული და მრავალ სარკე, და ეს პრინციპები შეიძლება გაერთიანდეს ერთ მოწყობილობაში. ამ შემთხვევაში, ცხელი ელექტრონული კომპონენტის შეკავება ნებისმიერ შემთხვევაში ხორციელდება ელექტროსტატიკური პოტენციალით, ხოლო ბოლო ფირფიტებიდან ცივი ელექტრონები ჩაკეტილია ექსპანდერებში იუშმანოვის პოტენციალით. ეს მეთოდი ასევე გამოცდილია GDT ობიექტზე. გარდა ამისა, შესაძლებელია თერმული ბარიერების გამოყენება. განხილულია სხვადასხვა გრძივი შეკავების სისტემების შედარებითი ეფექტურობა. განივი დანაკარგი ოპტიმალურ კონფიგურაციაში უნდა იყოს მთლიანი დანაკარგის ნახევარი. ამ პირობით, სისტემის სრული სიგრძის ოპტიმიზაციისას ისინი გავლენას მოახდენენ მხოლოდ პლაზმის რადიუსზე და რეაქტორის სიმძლავრეზე. განხილულია აალების და სტაციონარული წვის პირობები (პლაზმის შემადგენლობის ცვლილებების გათვალისწინებით წვის პროდუქტების დაგროვების გამო) რეაქტორებში აღწერილი სქემის მიხედვით D-T, D-D და D-He3 საწვავის ციკლებით. აალების და წვის საზღვრები მიღებულია bBm2kL-ის კომბინაციის თვალსაზრისით ტემპერატურის წინააღმდეგ, სადაც Bm არის მაქსიმალური მაგნიტური ველი (პირველ დანამატში), k არის სისტემის ბოლო ჩახშობის კოეფიციენტი და L არის ბირთვის სიგრძე. რეაქტორის ზომებისა და სიმძლავრის შეფასებები მიღებულია არსებული ტექნიკური შეზღუდვებისა და სკალირების პირობებში. ღია ხაფანგზე დაფუძნებული D-T რეაქტორის მინიმალური სიმძლავრე და მისი ღირებულება შეიძლება იყოს სიდიდის რიგით ნაკლები ვიდრე ITER-ის ტიპის სისტემებისთვის.
ლიტერატურა
ბეკლემიშევი ა., ანიკეევი ა., ბურდაკოვი ა. და სხვ. in Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Fission“, AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, გვ. 147
31.08.2016ამის შესახებ რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის პრესსამსახურმა უკვე გაავრცელა ინფორმაცია 09.08. და 15.08.2016წ. ამ მნიშვნელოვანი სამეცნიერო მიღწევის დეტალები ახლა ქვეყნდება.
ციმბირის ფიზიკამ გაათბო პლაზმა10 მილიონ გრადუსამდე
ATთერმობირთვული ობიექტი
ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის მეცნიერები. გ.ი. რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის ბადკერმა გაზის დინამიურ ხაფანგზე ჩატარებულ ექსპერიმენტებში მიაღწია პლაზმის სტაბილურ გათბობას 10 მილიონ გრადუსამდე. ეს არის ძალიან მნიშვნელოვანი შედეგი კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პერსპექტივისთვის. პლაზმური შეზღუდვის დრო ჯერ კიდევ მილიწამია.
მეცნიერებმა დაიწყეს ღია ხაფანგზე დაფუძნებული შერწყმის რეაქტორის შექმნის ვარიანტების განხილვა.
მეცნიერები აპირებენ მიაღწიონ შერწყმის ენერგიის მისაღები გამოსავალს დაახლოებით 100 მეტრი სიგრძის სისტემებისთვის. ეს ძალიან კომპაქტური სისტემები. ღია ხაფანგზე დაფუძნებული თერმობირთვული რეაქტორი, TOKAMAKU-ს ალტერნატივა, შეიძლება შეიქმნას მომდევნო 20-30 წლის განმავლობაში.
რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის აკადემიურმა მეცნიერებმა მოახერხეს ცხელი პლაზმის შექმნა ელექტრონული ციკლოტრონის გათბობის გამოყენებით, რამაც შესაძლებელი გახადა პლაზმური იარაღის მიტოვება და, ამით, ექსპერიმენტების ჩატარება უფრო კონტროლირებად პირობებში.
უკვე მიღწეული პლაზმური პარამეტრებით, ასეთი სისტემა, კერძოდ, შეიძლება გამოყენებულ იქნას კვლევისთვის მასალების მეცნიერების სფეროში, რადგან ის იძლევა მაღალ ნეიტრონულ ნაკადებს.
INP SB RAS-ის დირექტორის მოადგილემ ა.ივანოვმა აღნიშნა, რომ უკვე ჩატარებულია კვლევები პლაზმის ურთიერთქმედების შესახებ რეაქტორის კედლებთან და მიღებულია ენერგიის სიმკვრივის რეკორდული მნიშვნელობები ერთეულ ფართობზე. ”ახლა ჩვენ ვიცით, როგორ იშლება ვოლფრამის ფირფიტები,” - თქვა მან.
მეცნიერები თვლიან, რომ ეს შეიქმნა გამოყენებითი ფიზიკის ინსტიტუტში რუსეთის მეცნიერებათა აკადემია INP SB RAS რადიაციული წყაროებისთვის - გიროტრონები პერსპექტიული იქნება გათბობისთვის, რაც საშუალებას მისცემს მიაღწიოს უფრო მაღალ პლაზმურ პარამეტრებს.
მანამდე INP SB RAS-მა გამოაცხადა თერმობირთვული პროტოტიპის შექმნის გეგმები. რეაქტორი. ვარაუდობენ, რომ INP SB RAS შეიმუშავებს ტექნიკურ პროექტს და ინსტალაციის ტექნიკურ-ეკონომიკურ შესწავლას, რის შემდეგაც დაიწყება მოლაპარაკებების ეტაპი სხვა ქვეყნებიდან პოტენციურ პარტნიორებთან.
როგორც ცნობილია, შერწყმის რეაქტორის პროტოტიპის შემუშავება, რომელიც დაფუძნებულია გაზის დინამიურ „მრავალ სარკე“ ხაფანგზე, რუსეთის სამეცნიერო ფონდის გრანტით მიმდინარეობს. პროგრამის განხორციელების ხანგრძლივობაა 2014-2018 წლები, პროექტის დაფინანსების ოდენობა რუსეთის სამეცნიერო ფონდის ხარჯზე 650 მილიონი რუბლი.
მანამდე, ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის მეცნიერებმა SB RAS მიიღეს რეკორდული ტემპერატურა 4,5 მილიონი გრადუსი (400 ელექტრონ ვოლტი) გაზის დინამიურ ხაფანგში (GDT), რომელიც გამოიყენება მაგნიტურ ველში ცხელი პლაზმის შესანარჩუნებლად, 2014 წელს ეს ტემპერატურა 9 მილიონ გრადუსამდე გაიზარდა.
თერმობირთვული პლაზმის გათბობა10 მილიონ გრადუსამდე
წარმატებული ექსპერიმენტების სერია ელექტრონ-ციკლოტრონის რეზონანსული (ECR) პლაზმის გათბობაზე ჩატარდა GDL დაწესებულებაში (ნახ. 1). ექსპერიმენტის მიზანი იყო პლაზმის კომბინირებული გათბობის სცენარის შემუშავება ნეიტრალური სხივებით (NI) 5 მვტ სიმძლავრით და ECR გათბობის 0,7 მგვტ-მდე სიმძლავრით, მაგნიტოჰიდროდინამიკური არასტაბილურობის ფიზიკური მექანიზმების შესწავლა. ასეთი გაცხელების დროს დაფიქსირდა პლაზმა და მისი ჩახშობის გზების ძიება.
GDT დაწესებულებაში ECR გათბობის სისტემა შედგება ორი იმპულსური გიროტრონისაგან 54,5 გჰც სიხშირით და სიმძლავრით, რომელიც იზომება პლაზმის შეყვანაზე 300 და 400 კვტ. თითოეული გიროტრონი იკვებება სპეციალურად შექმნილი მაღალი ძაბვის დენის წყაროებით, რომლებიც ქმნიან მართკუთხა მაღალი ძაბვის პულსს 70 კვ ამპლიტუდით (მინიმუმ 0,5%) სტაბილურობით, დენით 25 A-მდე და ხანგრძლივობით. 3 ms-მდე. გიროტრონების გამოსხივება მიეწოდება ცალკეული დახურული კვაზიოპტიკური ხაზების მეშვეობით და შეჰყავთ ვაკუუმ კამერაში ორი მაგნიტური სარკის სიახლოვეს, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 3.
ECR გათბობისთვის ოპტიმალური პირობების შესაქმნელად საჭიროა მაგნიტური ველის გაზრდა შთანთქმის რეგიონის გარშემო განლაგებულ ცალკეულ კოჭებში. ხაფანგის საპირისპირო ბოლოებზე ეფექტური შთანთქმისთვის საჭირო დამატებითი დენი მიღებულ იქნა ხაფანგის მთავარ სხეულში მაგნიტური ველის შემცირებით (0,35-დან 0,27 ტ-მდე დაყენების ცენტრში). მაგნიტური კონფიგურაციის ასეთმა აშლილობამ გამოიწვია პლაზმური კონფიგურაციის მნიშვნელოვანი გაუარესება, კერძოდ, ECR გათბობის გარეშე, ელექტრონის ტემპერატურა შემცირდა 250 eV-დან 150 eV-მდე.
ამ მაგნიტურ კონფიგურაციაში ოპტიმიზირებულია ECR გათბობის ორი სცენარი. პირველი სცენარი ოპტიმიზირებული იყო ცხელი იონების სიცოცხლის ხანგრძლივობის გასაზრდელად, რომელიც გამოწვეული იყო გათბობის ნეიტრალური სხივების პლაზმური დაჭერით. ამ რეჟიმს ახასიათებდა გიროტრონის გამოსხივების შთანთქმა თითქმის მთელ პლაზმის ჯვარედინი მონაკვეთზე, რამაც გამოიწვია ელექტრონის ტემპერატურის ზრდა მთელ პლაზმურ მოცულობაში.
ვინაიდან ცხელი იონების სიცოცხლის ხანგრძლივობა ელექტრონის ტემპერატურის პროპორციულია 3/2 სიმძლავრის მიმართ, ECR გათბობამ მნიშვნელოვნად გაზარდა პლაზმის ენერგიის შემცველობა და D-D შერწყმის ნეიტრონების ნაკადი, რომელიც წარმოიქმნება ცხელ იონებს შორის შეჯახების შედეგად (ნახ. 4). . ამ რეჟიმში შესაძლებელი იყო სტაბილური გამონადენის მიღება ECR გათბობის სიმძლავრეზე, რომელიც არ აღემატება 400 კვტ. ელექტრონის ტემპერატურა GDT ღერძზე 200 ევ-ს აღწევდა.
მეორე სცენარი ოპტიმიზირებულია ელექტრონის მაქსიმალური ტემპერატურის მისაღებად. ამ რეჟიმში, პლაზმის მიერ დაჭერილი მიკროტალღური ენერგიის ძირითადი ნაწილი შეიწოვება ვიწრო პარაქსიალურ რეგიონში. ამიტომ გიროტრონების ჩართვისას რამდენიმე ასეულ მიკროწამში წარმოიქმნა გამონადენი ცენტრალური ტემპერატურით 1 კევ-მდე (ნახ. 5). იმისდა მიუხედავად, რომ რადიალური ტემპერატურული პროფილი ძლიერ პიკს მიაღწია, ენერგეტიკულმა ბალანსმა აჩვენა, რომ პლაზმური შეზღუდვა ღერძულ ზონაში ხდება გაზის დინამიურ რეჟიმში, ხოლო რადიალური ტრანსპორტი და კლასიკური გრძივი (Spitzer) ელექტრონული თბოგამტარობა ძლიერად არის ჩახშობილი. ტომსონის გაფანტვის გაზომვებმა აჩვენა, რომ ენერგია გადანაწილებულია თერმულ ელექტრონებს შორის, ანუ საუბარია ელექტრონების ტემპერატურაზე და არა ენერგეტიკული ელექტრონების „კუდში“ შენახულ ენერგიაზე. ამ ექსპერიმენტების დროს GDT ობიექტზე მიღწეული იქნა ელექტრონის რეკორდული ტემპერატურა ღია სისტემებისთვის კვაზი-სტაციონარული (-1 ms) გამონადენით და პირველად პლაზმური პარამეტრები მიუახლოვდა ტოროიდული სისტემების მნიშვნელობებს. .
ამ გარემოებამ საშუალება მოგვცა დავასკვნათ, რომ ღია ხაფანგებზე დაფუძნებული თერმობირთვული აპლიკაციების კარგი პერსპექტივები არსებობს. შედარებისთვის, ნახ. სურათი 6 გვიჩვენებს დიაგრამას, რომელიც გვიჩვენებს ელექტრონის ტემპერატურის მატების პროგრესს GDL დაწესებულებაში ჩატარებული ექსპერიმენტების დროს ობიექტის არსებობის 25 წლის განმავლობაში.
ელექტრონის ტემპერატურის მკვეთრი და მნიშვნელოვანი მატება ECR გათბობის ჩართვისას იწვევს ფლეიტის ტიპის პლაზმის MHD არასტაბილურობის განვითარებას. ამ არასტაბილურობის ჩასახშობად სტანდარტული GDT გამონადენის დროს (ECR გათბობის გარეშე), გამოიყენება „vortex confinement“ მეთოდი. ის მდგომარეობს იმაში, რომ მუდმივი ელექტრული პოტენციალი გამოიყენება პლაზმის პერიფერიაზე, რაც იწვევს მის ბრუნვას გადაკვეთილ ელექტრულ და მაგნიტურ ველებში. ფლეიტის არასტაბილურობის განვითარების დროს განივი დანაკარგების ეფექტურად ჩასახშობად, გამოყენებული რადიალური პოტენციალი უნდა იყოს შედარებული ელექტრონის ტემპერატურასთან. ECR გაცხელების დროს პლაზმის ტემპერატურის ძლიერი მატებით, ეს მდგომარეობა შეიძლება დაირღვეს. ამ პრობლემის გადასაჭრელად გამოყენებული იქნა რადიალური პოტენციალის ეტაპობრივი გაზრდის მეთოდი, რომელიც აკონტროლებს ტემპერატურის ზრდას ECR გათბობის ჩართვისას. შედეგად, შესაძლებელი გახდა შედარებით სტაბილური ECR პლაზმური გათბობის რეალიზება 700 კვტ სიმძლავრით იმ დროის განმავლობაში, რომელიც შედარებულია ობიექტში გამონადენის მთლიან ხანგრძლივობასთან.
ელექტრონის რეკორდული მაღალი ტემპერატურის მქონე გამონადენის დემონსტრირება შესაძლებელი გახდა EC პლაზმური გათბობისთვის ოპტიმალური სცენარების შემუშავების გამო, საგანგებო ტალღით პირველ ჰარმონიაში ხაფანგის ძირითად მოცულობაში. ეს შედეგი იძლევა საიმედო საფუძველს ღია ხაფანგებზე დაფუძნებული ბირთვული შერწყმის რეაქტორების შესაქმნელად, რომლებსაც აქვთ უმარტივესი ღერძული სიმეტრიული მაგნიტური ველის კონფიგურაცია საინჟინრო თვალსაზრისით. ასეთი რეაქტორების უახლოესი გამოყენება შეიძლება იყოს ნეიტრონების მძლავრი წყარო დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ბირთვების შერწყმის რეაქციიდან, რაც აუცილებელია თერმობირთვული მასალების მეცნიერებაში რიგი პრობლემების გადასაჭრელად, აგრეთვე ქვეკრიტიკული ბირთვული რეაქტორების კონტროლისთვის, მათ შორის განადგურების მოწყობილობებისთვის. რადიოაქტიური ნარჩენებისგან. ამ მიდგომის შემდგომი განვითარება შესაძლებელს გახდის განიხილოს "სუფთა" თერმობირთვული რეაქტორის ღია ხაფანგების საფუძველზე შექმნა დაბალი ნეიტრონის ან ნეიტრონისგან თავისუფალი შერწყმის რეაქციების გამოყენებით.
ექსპერიმენტები GOL-3 ობიექტზე გრძივი შეკავების გასაუმჯობესებლად ღია ხაფანგში
მრავალწლიანი მუშაობის შედეგად მიღებული დაწესებულებაში არსებული პლაზმური პარამეტრები და გაჩენილი ახალი იდეები შესაძლებელს ხდის ამ სქემის პერსპექტივების შეფასებას მაღალი ტემპერატურის პლაზმის შეზღუდვისთვის ბევრად უფრო ოპტიმისტურად, ვიდრე ეს იყო მუშაობის დაწყებამდე. GOL-3 (ნახ. 2). მთავარი დასკვნა ის არის, რომ ძირითადი პროცესები ხდება პლაზმური ტურბულენტობის საკმარისად მაღალი დონის ფონზე. არასტაბილურობის ახალი ტიპი აღმოაჩინეს მრავალსარკიანი ხაფანგის ბოლო უჯრედებში, რაც იწვევს უფრო ეფექტურ გაცვლას გარდამავალი და დაჭერილი ნაწილაკების ჯგუფებს შორის ბოლოების მახლობლად დაბალი პლაზმური სიმკვრივის პირობებში.
ალბათ არ არსებობს ადამიანის საქმიანობის ისეთი სფერო სავსე იმედგაცრუებებით და უარყოფილი გმირებით, როგორც თერმობირთვული ენერგიის შექმნის მცდელობები. ასობით რეაქტორის კონცეფცია, ათობით გუნდი, რომელიც მუდმივად ხდებოდა საჯარო და სახელმწიფო ბიუჯეტის ფავორიტები და ბოლოს, როგორც ჩანს, გამარჯვებული ტოკამაკების სახით. და ისევ აქ - ნოვოსიბირსკის მეცნიერთა მიღწევები აცოცხლებს მსოფლიო ინტერესს კონცეფციის მიმართ, რომელიც სასტიკად გათელა 80-იან წლებში. და ახლა უფრო დეტალურად.
ღია GDT ხაფანგი შთამბეჭდავი შედეგებით
წინადადებების მრავალფეროვნებას შორის, თუ როგორ უნდა გამოვიტანოთ ენერგია თერმობირთვული შერწყმიდან, ყველაზე მეტად ისინი ხელმძღვანელობენ შედარებით ფხვიერი თერმობირთვული პლაზმის სტაციონარული შეზღუდვით. მაგალითად, ITER პროექტი და უფრო ფართოდ - ტოროიდული ტოკამაკის ხაფანგები და ვარსკვლავები - აქედან. ისინი ტოროიდულები არიან, რადგან ეს არის მაგნიტური ველებიდან დახურული ჭურჭლის უმარტივესი ფორმა (ზღარბის სავარცხლის თეორემის გამო, სფერული ჭურჭლის დამზადება შეუძლებელია). თუმცა, კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის სფეროში კვლევის გარიჟრაჟზე, ფავორიტი იყო არა რთული სამგანზომილებიანი გეომეტრიის ხაფანგები, არამედ პლაზმის შენარჩუნების მცდელობები ეგრეთ წოდებულ ღია ხაფანგებში. ეს, როგორც წესი, ასევე ცილინდრული მაგნიტური ჭურჭელია, რომლებშიც პლაზმა კარგად არის შენარჩუნებული რადიალური მიმართულებით და მიედინება ორივე ბოლოდან. აქ გამომგონებლების იდეა მარტივია - თუ ახალი პლაზმის გათბობა თერმობირთვული რეაქციით უფრო სწრაფად მიდის, ვიდრე სითბოს მოხმარება ბოლოებიდან გაჟონვის შედეგად - მაშინ ღმერთმა დალოცოს იგი, ჩვენი ჭურჭლის გახსნილობით, ენერგია იქნება. წარმოიქმნება და გაჟონვა მაინც მოხდება ვაკუუმურ ჭურჭელში და საწვავი რეაქტორში დადის მანამ, სანამ არ დაიწვება.
ღია ხაფანგის იდეა არის მაგნიტური ცილინდრი, რომელსაც აქვს სანთლები/სარკეები ბოლოებში და გაფართოებები მათ უკან.
გარდა ამისა, ყველა ღია ხაფანგში გამოიყენება გარკვეული მეთოდები პლაზმის ბოლოებიდან გაქცევის შესაჩერებლად - და ყველაზე მარტივი აქ არის მაგნიტური ველის მკვეთრი გაზრდა ბოლოებში (დააყენეთ მაგნიტური "შტეფსები" რუსულ ტერმინოლოგიაში ან "სარკეები" დასავლეთი), მაშინ როცა შემომავალი დამუხტული ნაწილაკები, ფაქტობრივად, ამოხტება სარკისებურ შტეფსელებს და პლაზმის მხოლოდ მცირე ნაწილი გაივლის მათში და მოხვდება სპეციალურ ექსპანდერებში.
და დღევანდელი ჰეროინის ოდნავ ნაკლებად სქემატური გამოსახულება - დამატებულია ვაკუუმური კამერა, რომელშიც პლაზმური ფრიალებს და ყველა სახის აღჭურვილობა.
პირველი ექსპერიმენტი "სარკე" ან "ღია" ხაფანგით - Q-კიტრი შეიქმნა 1955 წელს ამერიკულ ლოურენს ლივერმორის ეროვნულ ლაბორატორიაში. მრავალი წლის განმავლობაში, ეს ლაბორატორია გახდა ლიდერი ღია ხაფანგის (OT) დაფუძნებული CTS კონცეფციის შემუშავებაში.
მსოფლიოში პირველი ექსპერიმენტი - ღია ხაფანგი Q-კიტრის მაგნიტური სარკეებით
დახურულ კონკურენტებთან შედარებით, OL-ის უპირატესობები შეიძლება ჩაიწეროს რეაქტორის გაცილებით მარტივი გეომეტრიით და მისი მაგნიტური სისტემით, რაც იმას ნიშნავს, რომ ის იაფია. ასე რომ, TCB-ის პირველი ფავორიტის - Z-pinch რეაქტორების დაცემის შემდეგ, ღია ხაფანგები იღებენ მაქსიმალურ პრიორიტეტს და დაფინანსებას 60-იანი წლების დასაწყისში, რადგან ისინი გვპირდებიან სწრაფ გადაწყვეტას მცირე ფულისთვის.
60-იანი წლების დასაწყისი, მაგიდის ხაფანგი
თუმცა, იგივე Z-pinch პენსიაზე შემთხვევით არ გავიდა. მისი დაკრძალვა დაკავშირებული იყო პლაზმის ბუნების გამოვლინებასთან - არასტაბილურობასთან, რომელიც ანადგურებდა პლაზმურ წარმონაქმნებს, როდესაც ცდილობდა პლაზმის შეკუმშვას მაგნიტური ველით. და სწორედ ამ მახასიათებელმა, ცუდად შესწავლილმა 50 წლის წინ, მაშინვე დაიწყო შემაშფოთებელი ჩარევა ღია ხაფანგებით ექსპერიმენტატორებისთვის. ფლეიტის არასტაბილურობა ართულებს მაგნიტურ სისტემას მარტივი მრგვალი სოლენოიდების გარდა, "იოფის ჯოხების", "ბეისბოლის ხაფანგების" და "იინ-იანგის ხვეულების" შემოღებით და ამცირებს მაგნიტური ველის წნევის თანაფარდობას პლაზმურ წნევასთან (პარამეტრი β). .
"ბეისბოლის" ზეგამტარი ხაფანგის მაგნიტი ბეისბოლი II, 70-იანი წლების შუა ხანები
გარდა ამისა, პლაზმის გაჟონვა განსხვავებულად მიმდინარეობს სხვადასხვა ენერგიის მქონე ნაწილაკებისთვის, რაც იწვევს პლაზმის არათანასწორობას (ანუ ნაწილაკების სიჩქარის არამაქსველის სპექტრს), რაც იწვევს უამრავ უსიამოვნო არასტაბილურობას. ეს არასტაბილურობა, თავის მხრივ, პლაზმის „რხევას“ აჩქარებს მის გაქცევას ბოლო სარკის უჯრედებიდან. 1960-იანი წლების ბოლოს ღია ხაფანგების მარტივმა ვარიანტებმა მიაღწიეს ზღვარს შეზღუდული პლაზმის ტემპერატურისა და სიმკვრივის თვალსაზრისით და ეს მაჩვენებლები გაცილებით დაბალი იყო ვიდრე თერმობირთვული რეაქციისთვის საჭირო. მთავარი პრობლემა იყო ელექტრონების სწრაფი გრძივი გაგრილება, რამაც შემდეგ დაკარგა ენერგია და იონები. საჭირო იყო ახალი იდეები.
ყველაზე წარმატებული ამბიპოლარული ხაფანგი TMX-U
ფიზიკოსები გვთავაზობენ ახალ გადაწყვეტილებებს, რომლებიც ძირითადად დაკავშირებულია პლაზმის გრძივი შეზღუდვის გაუმჯობესებასთან: ამბიპოლარული შეზღუდვა, გოფრირებული ხაფანგები და გაზის დინამიური ხაფანგები.
- ამბიპოლარული შეზღუდვა ემყარება იმ ფაქტს, რომ ელექტრონები "გაედინება" ღია ხაფანგიდან 28-ჯერ უფრო სწრაფად, ვიდრე დეიტერიუმის და ტრიტიუმის იონები, და პოტენციური განსხვავება წარმოიქმნება ხაფანგის ბოლოებში - დადებითი იონებიდან შიგნით და უარყოფითი გარედან. თუ დაყენების ბოლოებში მკვრივი პლაზმის მქონე ველები გაძლიერდება, მაშინ მკვრივ პლაზმაში ამბიპოლარული პოტენციალი ხელს უშლის შიდა ნაკლებად მკვრივი შინაარსის დაშორებას.
- გოფრირებული ხაფანგები ბოლოში ქმნიან "ნეკნიან" მაგნიტურ ველს, რომელშიც მძიმე იონების გაფართოება შეფერხებულია "ხახუნის" გამო "ღეროებში" ჩაკეტილ ხახუნის ველებზე.
- დაბოლოს, გაზის დინამიური ხაფანგები მაგნიტური ველის საშუალებით ქმნიან ჭურჭლის ანალოგს პატარა ნახვრეტით, საიდანაც პლაზმა გამოდის უფრო ნელი სიჩქარით, ვიდრე სარკე-სარკეების შემთხვევაში.
გამა-10-ის მაგნიტური სისტემის და პლაზმური გათბობის სქემა კარგად ასახავს, თუ რამდენად შორს წავიდნენ ისინი მარტივი OL გადაწყვეტილებებისგან 80-იან წლებში.
ამავდროულად, 1975 წელს, 2X-IIB ხაფანგის გამოყენებით, ამერიკელმა მკვლევარებმა პირველებმა მიაღწიეს იონის სიმბოლურ ტემპერატურას 10 კევ, რაც ოპტიმალურია დეიტერიუმის და ტრიტიუმის თერმობირთვული წვისთვის. უნდა აღინიშნოს, რომ 60-70-იან წლებში ისინი გადიოდნენ სასურველი ტემპერატურის სწრაფვის ნიშნით რაიმე ფორმით, რადგან. ტემპერატურა განსაზღვრავს იმუშავებს თუ არა რეაქტორი საერთოდ, ხოლო დანარჩენი ორი პარამეტრი, სიმკვრივე და ენერგიის გაჟონვის სიჩქარე პლაზმიდან (ან უფრო ხშირად მოიხსენიება როგორც „შეკავების დრო“), შეიძლება კომპენსირებული იყოს ზომის გაზრდით. რეაქტორი. თუმცა, სიმბოლური მიღწევის მიუხედავად, 2X-IIB ძალიან შორს იყო რეაქტორის წოდებისგან - გამოშვებული თეორიული სიმძლავრე შეადგენდა შეზღუდვასა და გათბობაზე დახარჯული პლაზმის 0,1%. სერიოზულ პრობლემად რჩებოდა ელექტრონების დაბალი ტემპერატურა - დაახლოებით 90 ევ 10 კევ იონების ფონზე, იმის გამო, რომ ამა თუ იმ გზით, ელექტრონები გაცივდნენ ვაკუუმის კამერის კედლებთან, რომელშიც მდებარეობს ხაფანგი. .
ახლა უფუნქციო ამბიპოლარული ხაფანგის ელემენტები AMBAL-M
80-იანი წლების დასაწყისში UTS-ის ამ ფილიალის განვითარების პიკი მოდის. განვითარების პიკი არის ამერიკული პროექტი MFTF, რომლის ღირებულებაა 372 მილიონი დოლარი (ანუ 820 მილიონი დღევანდელი ფასებით, რაც აახლოებს პროექტს ღირებულებით ისეთ მანქანასთან, როგორიცაა Wendelstein 7-X ან K-STAR tokamak).
სუპერგამტარი მაგნიტური მოდულები MFTF…
და მისი 400 ტონიანი ზეგამტარი მაგნიტის სხეული
ეს იყო ამბიპოლარული ხაფანგი სუპერგამტარი მაგნიტებით, მათ შორის. შედევრი ტერმინალი "იინ-იანგი", მრავალი სისტემა და პლაზმური დიაგნოსტიკის გათბობა, რეკორდი ყველა თვალსაზრისით. იგეგმებოდა მასზე Q = 0,5-ის მიღწევა, ე.ი. თერმობირთვული რეაქციის ენერგიის გამოსავალი არის რეაქტორის მუშაობის შენარჩუნების ღირებულების მხოლოდ ნახევარი. რა შედეგები მოჰყვება ამ პროგრამას? ის პოლიტიკური გადაწყვეტილებით დაიხურა სახელმწიფოში, რომელიც მზად იყო გასაშვებად.
დაასრულეთ "Yin-Yang" MFTF ინსტალაციის 10 მეტრიან ვაკუუმ კამერაში დაყენებისას. მისი სიგრძე 60 მეტრს უნდა აღწევდა.
მიუხედავად იმისა, რომ ეს გადაწყვეტილება, ყველა მხრიდან შოკისმომგვრელი, ძალიან რთული ასახსნელია, ვეცდები.
1986 წლისთვის, როდესაც MFTF მზად იყო გასაშვებად, სხვა ფავორიტის ვარსკვლავი აინთო TCB კონცეფციების ცაში. მარტივი და იაფი ალტერნატივა "ბრინჯაოს" ღია ხაფანგებისთვის, რომლებიც ამ დროისთვის ძალიან რთული და ძვირი გახდა 60-იანი წლების დასაწყისის ორიგინალური კონცეფციის ფონზე. ყველა ეს დამაბნეველი კონფიგურაციის სუპერგამტარი მაგნიტები, სწრაფი ნეიტრალური ინჟექტორები, ძლიერი RF პლაზმა. გათბობის სისტემები, დამაბნეველი არასტაბილურობის ჩახშობის სქემები - ჩანდა, რომ ასეთი რთული დანადგარები არასოდეს გახდება თერმობირთვული ელექტროსადგურის პროტოტიპი.
JET ორიგინალური შემზღუდველი კონფიგურაციით სპილენძის ხვეულებით.
ისე ტოკამაქს. 1980-იანი წლების დასაწყისში ამ მანქანებმა მიაღწიეს პლაზმურ პარამეტრებს, რომლებიც საკმარისი იყო თერმობირთვული რეაქციის დასაწვავად. 1984 წელს გამოუშვეს ევროპული JET tokamak, რომელიც Q=1 უნდა აჩვენოს და ის იყენებს მარტივ სპილენძის მაგნიტებს, მისი ღირებულება მხოლოდ 180 მილიონი დოლარია. სსრკ-სა და საფრანგეთში მუშავდება ზეგამტარი ტოკამაკები, რომლებიც თითქმის არ ხარჯავენ ენერგიას მაგნიტური სისტემის მუშაობაზე. ამავდროულად, ღია ხაფანგებზე მომუშავე ფიზიკოსები წლების განმავლობაში ვერ ახერხებდნენ რაიმე პროგრესის მიღწევას პლაზმის სტაბილურობისა და ელექტრონების ტემპერატურის გაუმჯობესებაში და MFTF მიღწევების დაპირებები სულ უფრო ბუნდოვანი ხდება. შემდეგი ათწლეულები, სხვათა შორის, აჩვენებს, რომ ფსონი ტოკამაკებზე შედარებით გამართლებული აღმოჩნდა - სწორედ ამ ხაფანგებმა მიაღწიეს სიმძლავრის დონეს და Q საინტერესოა ენერგეტიკოსებისთვის.
ღია ხაფანგების და ტოკამაკების წარმატებები 80-იანი წლების დასაწყისისთვის "სამმაგი პარამეტრის" რუკაზე. JET მიაღწევს წერტილს ოდნავ ზემოთ "TFTR 1983" 1997 წელს.
MFTF-ის შესახებ გადაწყვეტილება საბოლოოდ ძირს უთხრის ამ მიმართულების პოზიციებს. მიუხედავად იმისა, რომ ექსპერიმენტები ნოვოსიბირსკის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტში და იაპონიის გამა-10 ობიექტში გრძელდება, TMX-ისა და 2X-IIB-ის წინამორბედების საკმაოდ წარმატებული პროგრამები ასევე იხურება აშშ-ში.
Ამბის დასასრული? არა. ფაქტიურად ჩვენს თვალწინ, 2015 წელს, საოცარი მშვიდი რევოლუცია ხდება. ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის მკვლევარები. ბადკერი ნოვოსიბირსკში, რომელიც თანმიმდევრულად აუმჯობესებდა GDL ხაფანგს (სხვათა შორის, უნდა აღინიშნოს, რომ დასავლეთში ჭარბობდა ამბიპოლარული და არა გაზის დინამიური ხაფანგები) მოულოდნელად მიაღწევს პლაზმურ პარამეტრებს, რომლებიც 80-იან წლებში სკეპტიკოსებმა „შეუძლებლად“ იწინასწარმეტყველეს.
კიდევ ერთხელ GDL. სხვადასხვა მიმართულებით გამოკვეთილი მწვანე ცილინდრები არის ნეიტრალური ინჟექტორები, რომლებიც განხილულია ქვემოთ.
სამი ძირითადი პრობლემა, რომლებმაც დამარხეს ღია ხაფანგები, არის MHD სტაბილურობა ღერძის სიმეტრიულ კონფიგურაციაში (მოითხოვს რთული ფორმის მაგნიტებს), იონის განაწილების ფუნქციის არათანაბარი (მიკროარასტაბილურობა) და დაბალი ელექტრონის ტემპერატურა. 2015 წელს, GDT, ბეტა ღირებულებით 0,6, მიაღწია ელექტრონის ტემპერატურას 1 კევ. Როგორ მოხდა?
1960-იან წლებში ღერძული (ცილინდრული) სიმეტრიიდან წასვლამ ფლეიტის და სხვა MHD პლაზმური არასტაბილურობის დაძლევის მცდელობამ გამოიწვია, გარდა მაგნიტური სისტემების გართულებისა, პლაზმიდან სითბოს დანაკარგების გაზრდა რადიალური მიმართულებით. GDT-თან მომუშავე მეცნიერთა ჯგუფმა გამოიყენა 80-იანი წლების იდეა რადიალური ელექტრული ველის გამოსაყენებლად, რომელიც ქმნის მბრუნავ პლაზმას. ამ მიდგომამ გამოიწვია ბრწყინვალე გამარჯვება - ბეტა 0.6-ზე (შეგახსენებთ, რომ პლაზმური წნევის ეს თანაფარდობა მაგნიტური ველის წნევასთან არის ძალიან მნიშვნელოვანი პარამეტრი ნებისმიერი თერმობირთვული რეაქტორის დიზაინში - რადგან ენერგიის გათავისუფლების სიჩქარე და სიმკვრივე განისაზღვრება პლაზმური წნევა და რეაქტორის ღირებულება განისაზღვრება მისი მაგნიტების სიმძლავრით), ტოკამაკთან შედარებით 0,05-0,1 პლაზმა სტაბილურია.
ახალი საზომი მოწყობილობები - "დიაგნოსტიკა" საშუალებას იძლევა უკეთ გავიგოთ პლაზმური ფიზიკა GDL-ში
მეორე პრობლემა მიკროარასტაბილურობასთან დაკავშირებით, რომელიც გამოწვეული იყო დაბალი ტემპერატურის იონების ნაკლებობით (რომლებიც ამოღებულია ხაფანგის ბოლოებიდან ამბიპოლარული პოტენციალით) მოგვარდა ნეიტრალური სხივის ინჟექტორების კუთხით დახრით. ასეთი განლაგება ქმნის იონის სიმკვრივის პიკებს პლაზმური ხაფანგის გასწვრივ, რაც აფერხებს „თბილ“ იონებს გაქცევაში. შედარებით მარტივი გამოსავალი იწვევს მიკროარასტაბილურობის სრულ ჩახშობას და პლაზმური შეზღუდვის პარამეტრების მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას.
ნეიტრონების ნაკადი დეიტერიუმის თერმობირთვული წვის შედეგად GDL ხაფანგში. შავი წერტილები - გაზომვები, ხაზები - სხვადასხვა გამოთვლილი მნიშვნელობები მიკროარასტაბილურობის სხვადასხვა დონისთვის. წითელი ხაზი - მიკროარასტაბილურობა ჩახშობილია.
დაბოლოს, მთავარი „მესაფლავე“ არის ელექტრონების დაბალი ტემპერატურა. მიუხედავად იმისა, რომ თერმობირთვული პარამეტრები მიღწეულია ხაფანგებში მდებარე იონებისთვის, ელექტრონის მაღალი ტემპერატურა არის გასაღები, რათა არ მოხდეს ცხელი იონების გაგრილება და, შესაბამისად, მაღალი Q მნიშვნელობების ხაფანგები მაგნიტურ სისტემაში. 2014 წლამდე ღია ხაფანგებში ელექტრონის ტემპერატურა არ აღემატებოდა 300 ევ-ს, ხოლო ფსიქოლოგიურად მნიშვნელოვანი მნიშვნელობა 1 კევ იყო მიღებული GDL-ში. იგი მიღებულ იქნა ფიზიკასთან ფიზიკასთან ელექტრონების ურთიერთქმედების შედეგად ნეიტრალურ აირთან და პლაზმურ შთანთქმებთან ბოლო ექსპანდერებში.
ეს აბრუნებს სიტუაციას. ახლა, მარტივი ხაფანგები კვლავ საფრთხეს უქმნის ტოკამაკების უპირატესობას, რომლებმაც მიაღწიეს ამაზრზენ ზომებს და სირთულეებს (GDML-U ", რომელიც აერთიანებს GDL-ის იდეებსა და მიღწევებს და GOL-ის გრძივი შეკავების გაუმჯობესების მეთოდს. თუმცა ახლის გავლენის ქვეშ. შედეგად, GDML-ის იმიჯი იცვლება, მაგრამ ის რჩება მთავარ იდეად ღია ხაფანგების სფეროში.
სად არის მიმდინარე და მომავალი მოვლენები კონკურენციასთან შედარებით? ტოკამაკებმა, როგორც მოგეხსენებათ, მიაღწიეს Q=1 მნიშვნელობას, გადაჭრეს ბევრი საინჟინრო პრობლემა, მე გადავალ ბირთვული და არა ელექტრო დანადგარების მშენებლობაზე და თავდაჯერებულად მივდივართ ენერგეტიკული რეაქტორის პროტოტიპისკენ Q=10 და თერმობირთვული სიმძლავრე 700 მგვტ-მდე (ITER). ვარსკვლავები, რომლებიც რამდენიმე ნაბიჯით ჩამორჩებიან, შორდებიან ფუნდამენტური ფიზიკის შესწავლას და საინჟინრო ამოცანების გადაწყვეტას Q=0.1-ზე, მაგრამ ჯერჯერობით ისინი არ რისკავს ტრიტიუმის თერმობირთვული წვის ჭეშმარიტად ბირთვული დანადგარების სფეროში შესვლას. GDML-U შეიძლება იყოს W-7X ვარსკვლავის მსგავსი პლაზმური პარამეტრების თვალსაზრისით (თუმცა, არის იმპულსური მოწყობილობა, გამონადენის ხანგრძლივობით რამდენიმე წამი, ვიდრე მომავალში W-7X-ის ნახევარსაათიანი მუშაობისთვის), თუმცა. მისი მარტივი გეომეტრიით, მისი ღირებულება შეიძლება იყოს რამდენჯერმე ნაკლები ვიდრე გერმანული ვარსკვლავიერი.
INP შეფასება.
არსებობს GDML-ის გამოყენების ვარიანტები, როგორც კონფიგურაცია პლაზმისა და მასალების ურთიერთქმედების შესასწავლად (თუმცა, მსოფლიოში საკმაოდ ბევრი ასეთი პარამეტრია) და როგორც ნეიტრონების თერმობირთვული წყარო სხვადასხვა მიზნებისთვის.
GDML ზომის ექსტრაპოლაცია სასურველი Q და შესაძლო აპლიკაციების მიხედვით.
თუ ხვალ ღია ხაფანგები კვლავ გახდებიან ფავორიტები TNF-ის რბოლაში, შეიძლება ველოდოთ, რომ თითოეულ ეტაპზე ნაკლები კაპიტალის ინვესტიციების გამო, 2050 წლისთვის ისინი დაიჭერენ და გაუსწრებენ ტოკამაკებს, გახდებიან პირველი თერმობირთვული ელექტროსადგურების გული. თუ პლაზმა არ მოაქვს უფრო უსიამოვნო სიურპრიზებს...
ტეგები: ტეგების დამატება
თერმობირთვული ხაფანგი
ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტი, ისევე როგორც რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის ყველა ინსტიტუტი, შედარებით ახალგაზრდაა: 2008 წელს ის მხოლოდ 50 წლის იქნება, რაც მისი პერსონალის საშუალო ასაკისაა. სასიხარულოა იმის დანახვა, რომ INP-ში ახლახან გამოჩნდა ბევრი კურსდამთავრებული და სტუდენტი, რომლებიც გეგმავენ თავიანთი სამეცნიერო კვლევების გაგრძელებას მის კედლებში. ცნობილია, რომ დღევანდელი ახალგაზრდობა იზიდავს იქ, სადაც არის საინტერესო, სადაც არის ზრდის პერსპექტივა. და INP-ში უდავოდ არის ასეთი პერსპექტივები. ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს ისიც, რომ ყველაზე რთული თანამედროვე ექსპერიმენტების განხორციელება მოითხოვს არა ერთი ადამიანის ძალისხმევას, არამედ თანამოაზრეების ძლიერი გუნდის ძალისხმევას. ამიტომ ახალი ძალების შემოდინება ძალიან მნიშვნელოვანია ინსტიტუტისთვის...
პლაზმა არის იდუმალი მატერია,
თვითორგანიზება
პლაზმა არის სრულად ან ნაწილობრივ იონიზებული გაზი, რომელშიც ნაწილაკების მთლიანი უარყოფითი მუხტი უდრის მთლიან პოზიტიურ მუხტს. და ამიტომ, ზოგადად, ის არის ელექტრულად ნეიტრალური საშუალება, ან, როგორც ფიზიკოსები ამბობენ, მას აქვს კვაზინეიტრალურობის თვისება. მატერიის ეს მდგომარეობა ითვლება მეოთხე (მყარი, თხევადი და აირისებრი) აგრეგატად და წარმოადგენს არსებობის ნორმალურ ფორმას დაახლოებით 10000 გრადუს ცელსიუსზე და ზემოთ ტემპერატურაზე.
ბუნებაში მატერიის ამ უჩვეულო მდგომარეობის კვლევა საუკუნეზე მეტია მიმდინარეობს. მე-20 საუკუნის მეორე ნახევრიდან დაწყებული „ზოგადი მიმართულება“ არის თვითშენარჩუნებული კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის რეაქციის (CTF) განხორციელება. მაღალტემპერატურული პლაზმური გროვები ძალიან გავრცელებულია სამყაროში: საკმარისია მზე და ვარსკვლავები დაასახელოთ. მაგრამ დედამიწაზე ეს ძალიან ცოტაა. კოსმოსური ნაწილაკები და მზის ქარი იონიზებს დედამიწის ატმოსფერული გარსის (იონოსფეროს) ზედა ფენას და მიღებულ პლაზმას ინარჩუნებს დედამიწის მაგნიტური ველი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს არის ერთგვარი ხმელეთის მაგნიტური ხაფანგი. მზის გაზრდილი აქტივობის პერიოდში, მზის ქარის დამუხტული ნაწილაკების ნაკადი პლანეტის მაგნიტოსფეროს დეფორმაციას ახდენს. ჰიდრომაგნიტური არასტაბილურობის განვითარების გამო, პლაზმა შეაღწევს პოლუსების რეგიონის ზედა ატმოსფეროში და ატმოსფერული აირები, რომლებიც ურთიერთქმედებენ დატვირთულ პლაზმურ ნაწილაკებთან, აღგზნებულია და გამოიყოფა. ეს გამოწვეულია ავრორას ფენომენით, რომელიც მხოლოდ პოლუსებზეა შესაძლებელი.
პლაზმის ფიზიკის შესწავლის „ზოგად მიმართულებასთან“ ერთად არის სხვა, არანაკლებ მნიშვნელოვანი, გამოყენებითი. ამან გამოიწვია მრავალი ახალი ტექნოლოგიების გაჩენა: პლაზმური ჭრა, შედუღება და ლითონის ზედაპირის დამუშავება. როგორც სამუშაო სითხე, პლაზმა შეიძლება გამოყენებულ იქნას კოსმოსური ხომალდის ძრავებში და ფლუორესცენტურ ნათურებში განათებისთვის. პლაზმური ტექნოლოგიების გამოყენებამ ნამდვილი რევოლუცია გამოიწვია მიკროელექტრონიკაში. საგრძნობლად გაიზარდა არა მხოლოდ პროცესორების მუშაობა და გაიზარდა მეხსიერების რაოდენობა, არამედ საგრძნობლად შემცირდა წარმოებაში გამოყენებული ქიმიკატების რაოდენობაც - ამდენად, გარემოს დაზიანების დონე მინიმუმამდეა დაყვანილი.
მკვრივი მაღალტემპერატურული პლაზმა მხოლოდ ვარსკვლავებშია, დედამიწაზე კი მისი მიღება მხოლოდ ლაბორატორიულ პირობებშია შესაძლებელი. მატერიის ეს უჩვეულო მდგომარეობა წარმოსახვას ურტყამს თავისუფლების დიდი რაოდენობით და, ამავე დროს, თვითორგანიზების და გარე გავლენებზე რეაგირების უნარით. მაგალითად, პლაზმა შეიძლება შეინახოს მაგნიტურ ველში, რაც იწვევს მას სხვადასხვა ფორმებს. თუმცა, ის ცდილობს მიიღოს მისთვის ენერგიულად ყველაზე მომგებიანი მდგომარეობა, რაც ხშირად იწვევს სხვადასხვა არასტაბილურობის განვითარებას და, ცოცხალი ორგანიზმის მსგავსად, გათავისუფლდეს მაგნიტური ხაფანგის ხისტი „გალიიდან“, თუ კონფიგურაცია ეს ხაფანგი მას არ უხდება. სწორედ ამიტომ ფიზიკოსების ამოცანაა შექმნან ისეთი პირობები, რომ პლაზმა იყოს სტაბილური, დიდხანს და მშვიდად „იცხოვროს“ ხაფანგში და გაცხელდეს 10 მილიონი გრადუსი ცელსიუსის რიგის თერმობირთვულ ტემპერატურამდე.
დღეისათვის INP-ში წარმატებით ფუნქციონირებს ორი უნიკალური დიდი პლაზმური ხაფანგი, რომლებიც ინსტიტუტის კედლებში დაბადებული ორიგინალური იდეებისა და პრინციპების პრაქტიკული გამოყენების შედეგი იყო. ეს არის ღია ტიპის ხაფანგები, რომლებიც მნიშვნელოვნად განსხვავდება პოპულარული დახურული მაგნიტური სისტემებისგან. ისინი აოცებენ თავიანთი იდუმალი გრანდიოზულობით და ამავე დროს ფუნქციონირების სიმარტივით. ობიექტებზე მუშაობის მთელი ისტორიის განმავლობაში მეცნიერებმა მოახერხეს მნიშვნელოვანი შედეგების მიღება მკვრივი ცხელი პლაზმის გაცხელებისა და შეზღუდვის შესახებ, ასევე გააკეთეს მრავალი აღმოჩენა, რომელიც დაკავშირებულია მატერიის ამ მეოთხე მდგომარეობის ფუნდამენტურ თვისებებთან. ყოველწლიურად წარმოადგენდა რაღაც ახალს და უჩვეულოს ამა თუ იმ პირობებში ხაფანგებში სიცოცხლისთვის, მაგნიტური ველის კონფიგურაციის შეცვლისას, ელექტრული ველების შექმნისას, სხვადასხვა მინარევების დამატებისას, ასევე პლაზმაში მძლავრი სხივების შეყვანისას და "გამოკვლევისას". პლაზმა სხვადასხვა დიაგნოსტიკით. და პლაზმა, რომელიც "რეაგირებს" ასეთ ქმედებებზე, თუმცა უხალისოდ, მაგრამ მკვლევარებს უზიარებდა თავის ყველაზე საიდუმლო საიდუმლოებებს ...
გაზის დინამიური ხაფანგი (GDT)
GDT კონფიგურაცია, რომელიც შეიქმნა ნოვოსიბირსკის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტში 1986 წელს, მიეკუთვნება ღია ხაფანგების კლასს და ემსახურება პლაზმის შეზღუდვას მაგნიტურ ველში.
მაგნიტური ველის კონფიგურაცია კლასიკურ ღია ღერძულად სიმეტრიულ ხაფანგში არის ერთიანი მაგნიტური ველის წაგრძელებული რეგიონი კიდეებზე მაქსიმუმებით, რომლებიც მიიღწევა ძლიერი მაგნიტური ველის რგოლების გამოყენებით. ამ ხვეულების ქვეშ მდებარე უბნებს (სივრცის ის უბნები, რომელსაც იკავებს მაგნიტური ველი, რომლებშიც ის აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობას) ჩვეულებრივ უწოდებენ "მაგნიტურ საცობებს", ხოლო ამ პრინციპის მიხედვით მოწყობილ ხაფანგს ეწოდება "სარკის მილი". უმარტივეს შემთხვევაში, სარკის უჯრედში მაგნიტური ველი იქმნება მხოლოდ მაგნიტური სარკეებით.
დამუხტული პლაზმის ნაწილაკები (უარყოფითი ელექტრონები და დადებითი იონები) მოძრაობენ მაგნიტური ველის ხაზების გასწვრივ მაგნიტურ სარკეებს შორის, ირეკლავენ მათგან და ამით აკეთებენ რხევად მოძრაობებს. ნაწილაკები, რომლებსაც აქვთ საკმარისი კინეტიკური ენერგია შტეფსელის პოტენციური ბარიერის დასაძლევად, ტოვებენ ხაფანგს ერთი გავლისას.
განსხვავებები გაზის დინამიურ ხაფანგს (GDT) და ზემოთ აღწერილ ჩვეულებრივ სარკის უჯრედს შორის არის ხაფანგის ცენტრში ჰომოგენური ველის მონაკვეთის დიდი სიგრძე და ძალიან დიდი „სარკის თანაფარდობა“ (R = B1 /B2 თანაფარდობა. მაგნიტური ველის მნიშვნელობები სარკეში და ხაფანგის ცენტრში). ასეთ კონფიგურაციაში, იონების საშუალო თავისუფალი გზა მცირეა ერთიანი მაგნიტური ველის მონაკვეთის სიგრძესთან შედარებით, ამიტომ პლაზმის გადინება ობიექტიდან ხდება გაზის დინამიკის კანონების შესაბამისად, გაზის გადინების მსგავსად. ვაკუუმი ჭურჭლიდან პატარა ნახვრეტით, რაც დაწესებულების სახელწოდების მიზეზია. მაგნიტურ სარკეებში „ხვრელების“ ძალიან მცირე ზომის და პლაზმის მიერ დაკავებული მოცულობის დიდი გაკეთებით, შეიძლება მივიღოთ პლაზმის შეკავების დრო, რომელიც საკმარისია კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციის განსახორციელებლად. მართალია, ასეთი ზონდის უჯრედ-რეაქტორის სიგრძე რამდენიმე კილომეტრი იქნება. თუმცა, სხვადასხვა მოწყობილობების, ეგრეთ წოდებული ამბიპოლარული საცობების გამოყენება, რომლებიც ამცირებს პლაზმის ნაკადს სარკეებში, შესაძლებელს გახდის ხაფანგის სიგრძის გონივრულ ზღვრამდე შემცირებას. ამიტომ, ასეთი ხაფანგის რეაქტორის პერსპექტივები კვლავ მიმზიდველი რჩება, როგორც ადრე. პლაზმური შეზღუდვის სქემის ყველაზე პერსპექტიული თერმობირთვული გამოყენება არის GDL-ის საფუძველზე სწრაფი ნეიტრონების მარტივი და საიმედო წყაროს შექმნა 14 მევ ენერგიით, რომლებიც წარმოიქმნება დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ბირთვების შერწყმის რეაქციაში. სინამდვილეში, ეს არის იგივე თერმობირთვული რეაქტორი (მხოლოდ დაბალი ეფექტურობით), რომელიც მოიხმარს ენერგიას და აწარმოებს ნეიტრონებს. ასეთი ნეიტრონული გენერატორი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მომავალი სამრეწველო თერმობირთვული რეაქტორის პირველი კედლის მატერიალური მეცნიერების ტესტების ჩასატარებლად ან დაშლის რეაქტორის შესანახად დაბალი ენერგიის ნეიტრონებით, რაც თანამედროვე ბირთვულ ენერგიას უსაფრთხოს ხდის. გაზის დინამიურ ხაფანგზე დაფუძნებული ნეიტრონული წყაროს დიზაინი მრავალი წელია შემუშავებული იყო ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტში. თეორიის პროგნოზების პრაქტიკულად გადამოწმებისა და ნეიტრონული წყაროს შექმნის მონაცემთა ბაზის დაგროვების მიზნით, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტში შეიქმნა გაზის დინამიური ხაფანგის ექსპერიმენტული მოდელი - GDT ობიექტი.
ამჟამად, საერთაშორისო სამეცნიერო საზოგადოებამ, რომელიც ჩართულია CTS პრობლემის გადაჭრაში, დაიწყო ყველაზე დიდი ტოკამაკის ტიპის პლაზმური ხაფანგის მშენებლობა, სახელწოდებით ITER. მომდევნო ათწლეულებში, ITER-მა უნდა აჩვენოს დეიტერიუმის და ტრიტიუმის შერწყმის რეაქციაზე დაფუძნებული თვითმმართველი კონტროლირებადი თერმობირთვული ელექტროსადგურის მუშაობის შესაძლებლობა.თუმცა, აშკარაა, რომ მომავლის თერმობირთვული ენერგიის შემდგომი განვითარებისთვის და ისეთი სადგურების მშენებლობისთვის, რომლებიც იმუშავებენ ათწლეულების განმავლობაში და საუკუნეების განმავლობაშიც კი, დღეს აუცილებელია საიმედო მასალების შერჩევა, რომლებსაც შეუძლიათ გაუძლონ ძლიერ ნეიტრონულ ნაკადებს მთელი მათი მომსახურების ვადის განმავლობაში. . ასეთი მასალების შესამოწმებლად საჭიროა ძლიერი ნეიტრონული წყარო. INP მრავალი წელია ავითარებს პროექტს GDL-ზე დაფუძნებული ასეთი წყაროსთვის.
ყველა ფიზიკური პრინციპი, რომელიც ეფუძნება კომპაქტურ და შედარებით იაფ ნეიტრონულ წყაროს, რომელიც დაფუძნებულია ღია გაზის დინამიურ ხაფანგზე, ამჟამად გამოკვლეულია რეალურ ექსპერიმენტში პლაზმის დაგროვების, შეზღუდვისა და გათბობის შესახებ GDL ობიექტში. უკვე დღეს ტარდება გამოსხივებული ნეიტრონული ნაკადის პირდაპირი გაზომვები დეიტერიუმის ინექციით ექსპერიმენტებში. დეიტერიუმ-დეიტერიუმის შერწყმის რეაქცია ამ ექსპერიმენტულ პარამეტრებთან, ზოგადად, მცირე ნაკადს იძლევა დეიტერიუმ-ტრიტიუმის რეაქციასთან შედარებით. მაგრამ მოდელის გამოთვლების შესამოწმებლად, რომლებიც მომავალში იგეგმება წყაროს რეაქტორის გამოთვლებისთვის, ისინი საკმაოდ საკმარისია. ამ დეკემბერში დაწესებულებას 22 წელი შეუსრულდა: პირველი პლაზმა მიიღეს 1985 წლის ბოლოს. ვინც ის ააშენა და გაუშვა, დღესაც მუშაობს ლაბორატორიაში.
მაგრამ გუნდი ახალი, ახალგაზრდა და ენერგიული თანამშრომლებით შეივსო: ზოგიერთი მათგანი იმავე ასაკისაა, როგორც თავად GDL-ის განყოფილება.
ინსტალაციის ძირითადი ნაწილია ღერძული სიმეტრიული სარკის უჯრედი 7 მ სიგრძით, ცენტრში 0,3 ტ ველით და სარკეებში 10 ტ-მდე, შექმნილია ორკომპონენტიანი პლაზმის შემცველობისთვის.
ერთ-ერთ კომპონენტს - თბილ "სამიზნე" პლაზმას - აქვს ელექტრონისა და იონის ტემპერატურა 100 ევ-მდე (ეს არის დაახლოებით 1,200,000 გრადუსი ცელსიუსი) და სიმკვრივე ~ 5 10 19 ნაწილაკები კუბურ მეტრზე. ეს კომპონენტი ხასიათდება ზემოთ აღწერილი გაზის დინამიური შეზღუდვის რეჟიმით. სხვა კომპონენტია სწრაფი იონები საშუალო ენერგიით ~ 10,000 ევ და სიმკვრივით 2 10 19 ნაწილაკამდე კუბურ მეტრზე. ისინი წარმოიქმნება ატომების მძლავრი სხივების სამიზნე პლაზმაში იონიზაციის შედეგად, რომლებიც ირიბად შეჰყავთ ხაფანგში სპეციალური მოწყობილობების - ნეიტრალური ატომების ინჟექტორების დახმარებით. ამ სწრაფ კომპონენტს ახასიათებს იგივე შეზღუდვის რეჟიმი, როგორც კლასიკურ სარკის უჯრედში: სწრაფი იონები მოძრაობენ მაგნიტურ ორბიტებში მაგნიტური ველის ხაზების გასწვრივ და აისახება ძლიერი მაგნიტური ველის რეგიონიდან. ამ შემთხვევაში, სწრაფი იონები ნელდება სამიზნე პლაზმის ნაწილაკებთან (ძირითადად ელექტრონებთან) ურთიერთქმედებისას და ათბობს მას 100 ევ-მდე და უფრო მაღალი. ირიბი ინექციით და ნაწილაკების მცირე კუთხოვანი გაფანტვით, სწრაფი იონების სიმკვრივე აღმოჩნდება ძლიერ პიკზე (დიდი) ასახვის ზონასთან და ეს გარემოება ყველაზე მიმზიდველია ნეიტრონული წყაროს განსახორციელებლად. ფაქტია, რომ შერწყმის რეაქციაში ნეიტრონის ნაკადი პროპორციულია დეიტერიუმის და ტრიტიუმის იონების სიმკვრივის კვადრატისა. და ამიტომ, ასეთი სიმკვრივის კრეფის შემთხვევაში, ის კონცენტრირებული იქნება მხოლოდ გაჩერების ზონაში, სადაც განთავსდება "სატესტო ზონა". დანარჩენ სამონტაჟო სივრცეში ნეიტრონული დატვირთვა გაცილებით დაბალი იქნება, რაც შესაძლებელს გახდის ყველა გენერატორის ძვირადღირებული ნეიტრონული დაცვის მიტოვებას.
მნიშვნელოვანი პრობლემა ღერძულად სიმეტრიულ სარკის უჯრედზე დაფუძნებული რეაქტორისა და ნეიტრონული წყაროს შექმნის გზაზე არის პლაზმის სტაბილიზაცია მაგნიტურ ველში. GDL სქემაში ეს მიიღწევა სტაბილურობისთვის ხელსაყრელი მაგნიტური ველის პროფილის სპეციალური დამატებითი სექციების გამო, რომლებიც განლაგებულია მაგნიტური სარკეების უკან და უზრუნველყოფს პლაზმის საიმედო სტაბილიზაციას.
ღია ხაფანგებზე დაფუძნებული კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის (CTF) კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი პრობლემა არის პლაზმის თერმული იზოლაცია ბოლო კედლიდან. ფაქტია, რომ დახურული სისტემებისგან განსხვავებით, როგორიცაა ტოკამაკი ან ვარსკვლავიერი, პლაზმა გამოდის ღია ხაფანგიდან და შედის პლაზმის მიმღებებში. ამ შემთხვევაში, ცივ ელექტრონებს, რომლებიც გამოიყოფა პლაზმური მიმღების ზედაპირიდან ნაკადის მოქმედებით, შეუძლიათ შეაღწიონ უკან ხაფანგში და ძლიერად გააციონ პლაზმა. GDL დაწესებულებაში გრძივი შეზღუდვის შესწავლის ექსპერიმენტებში შესაძლებელი გახდა იმის დემონსტრირება, რომ გაფართოებული მაგნიტური ველი პლაზმური მიმღების წინ დანამატის უკან ბოლო ავზებში - ექსპანდერებში - ხელს უშლის ცივი ელექტრონების შეღწევას ხაფანგში და უზრუნველყოფს ეფექტური თბოიზოლაცია ბოლო კედლისგან.
GDT ექსპერიმენტული პროგრამის ფარგლებში მიმდინარეობს მუდმივი მუშაობა პლაზმის სწრაფი ნაწილაკების მდგრადობის, სამიზნე ტემპერატურისა და სიმკვრივის ასამაღლებლად; ინსტალაციის სხვადასხვა საოპერაციო პირობებში მისი ქცევის შესწავლით და ა.შ. ასევე მიმდინარეობს ფუნდამენტური თვისებების შესწავლა. ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს, რომ პლაზმასთან დაკავშირებული სამეცნიერო ინტერესებისა და კვლევების სპექტრი ძალიან ფართოა.
GDL განყოფილება აღჭურვილია ყველაზე თანამედროვე დიაგნოსტიკური საშუალებებით. მათი უმეტესობა შემუშავებულია ჩვენს ლაბორატორიაში და უფრო მეტიც, კონტრაქტით მიეწოდება პლაზმის სხვა ლაბორატორიებს, მათ შორის უცხოურს.
მეცნიერთა, ინჟინერთა და ტექნიკოსთა გუნდი, რომელიც ატარებს კვლევას GDL-ის დაწესებულებაში, მცირეა, მაგრამ წარმოუდგენლად შრომისმოყვარე. მისი ყველა წევრის კვალიფიკაციის მაღალი დონე ეხმარება მათ მაღალი შედეგების მიღწევაში. გარდა ამისა, სამეცნიერო პერსონალი გამუდმებით ივსება „ახალგაზრდა სისხლით“ - NSU-სა და NSTU-ს კურსდამთავრებულები. სხვადასხვა კურსის სტუდენტები, რომლებიც გადიან პრაქტიკას ლაბორატორიაში, პირველივე დღიდან იღებენ აქტიურ მონაწილეობას ექსპერიმენტებში, რითაც უშუალო წვლილი შეაქვთ ახალი ცოდნის შექმნაში. უკვე პირველი კურსის მუშაობის შემდეგ რჩებიან ლაბორატორიაში პრაქტიკისთვის, წარმატებით იცავენ დიპლომებს, შედიან მაგისტრატურაში და ამზადებენ საკანდიდატო დისერტაციებს. მოდი, ვაღიაროთ, ეს უაღრესად სასიამოვნოა ჩვენთვის, მეცნიერ ლიდერებისთვის.
კიდევ ერთი ხაფანგი - "GOL-3" - და ოდნავ განსხვავებული ხედვის კუთხე თერმობირთვულზე
კაცობრიობა ელექტროენერგიის დეფიციტს განიცდის და უახლოეს მომავალში ეს პრობლემა პრიორიტეტული გახდება: საწვავის მარაგი - ნავთობი და გაზი - გამოიყენება მთავარ თანამედროვე ელექტროსადგურებში, სამწუხაროდ, ამოიწურება. სწორედ ამიტომ თერმობირთვული რეაქტორები უნდა გახდეს მომავლის ელექტროენერგეტიკული ინდუსტრიის საფუძველი.
თერმობირთვული რეაქციები არის მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქციები, როგორიცაა დეიტერიუმის და ტრიტიუმის წყალბადის იზოტოპები, დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფით. ამ რეაქციების განსახორციელებლად საჭიროა მაღალი ტემპერატურა - 10 მილიონ გრადუს ცელსიუსზე მეტი. ცნობილია, რომ ნებისმიერი ნივთიერება 10 ათას გრადუს ცელსიუსზე მეტ ტემპერატურაზე ხდება პლაზმა. მყარ სხეულთან კონტაქტი იწვევს მის მყისიერ გაციებას და მყარი სხეულის ზედაპირის ფეთქებადი განადგურებას, ამიტომ პლაზმა უნდა იყოს იზოლირებული სტრუქტურისგან: ამ მიზნით იგი მოთავსებულია მაგნიტურ ველში.
ძალზე რთულია ნივთიერების უზარმაზარ ტემპერატურამდე გაცხელება და მაგნიტურ ველში დიდი ხნის განმავლობაში შენახვა - და ამიტომ ბევრი ექსპერტი თვლის, რომ კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა (CTF) ყველაზე რთულ ამოცანად დგას კაცობრიობის წინაშე.
რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის GOL-3 დაწესებულება შექმნილია თერმობირთვული პლაზმის გასათბობად და შესანახად მრავალსარკიან მაგნიტურ ველში. ინსტალაცია შედგება სამი ძირითადი ნაწილისგან: U-2 ამაჩქარებელი, 12 მეტრიანი სოლენოიდი (ძლიერი მაგნიტური ველის შექმნის ერთეული) და გამომავალი ერთეული.
დაყენებაში გამოყენებული ელექტრონული სხივი შექმნილია მსოფლიოში ყველაზე ძლიერი (მის კლასში) U-2 ამაჩქარებლის მიერ. მასში ელექტრონები ფეთქებადი კათოდიდან ელექტრული ველით იზიდავს და აჩქარებს დაახლოებით 1 მილიონი ვოლტის ძაბვით. 50000 ამპერის დენის დროს სისტემის სიმძლავრე 50 გვტ აღწევს. (მაგრამ მთელი ნოვოსიბირსკი დღისით მოიხმარს 20-ჯერ ნაკლებ ენერგიას.) სხივის ხანგრძლივობით დაახლოებით 8 მიკროწამი შეიცავს 200000 J ენერგიას (რაც ხელყუმბარის აფეთქების ტოლფასია).
მთავარ სოლენოიდში, დეიტერიუმის პლაზმაში სხივის გავლისას n = 10 20 -10 22 ნაწილაკები კუბურ მეტრზე, ორნაკადიანი არასტაბილურობის განვითარების გამო, წარმოიქმნება მიკროტურბულენტობის დიდი დონე და სხივი. კარგავს ენერგიის 40%-მდე, გადადის მას პლაზმის ელექტრონებში. გათბობის სიჩქარე ძალიან მაღალია: 3-4 მიკროწამში პლაზმის ელექტრონები თბება 2000-4000 ევ-ს (23-46 მილიონი გრადუსი ცელსიუსი: 1 ევ = 11600 გრადუსი ცელსიუსი) ტემპერატურამდე - ეს არის მსოფლიო რეკორდი. ღია ხაფანგები (შედარებისთვის: აშშ-ში 2XIIB ობიექტში, ტემპერატურა არ აღემატებოდა 300 eV-ს GOL-3-ზე 2000-4000 eV-ის წინააღმდეგ).
მაგნიტური ველი მთავარ სოლენოიდში არის მულტიარკული (55 სარკის უჯრედი), ანუ ველის მაქსიმალური (5 T) და მინიმალური (3 T) მონაცვლეობითია, ხოლო მაქსიმუმებს შორის მანძილი (22 სმ) არის რიგის. იონის ბილიკის სიგრძე. რას მივყავართ ამას: თუ იონი ტოვებს ერთ სარკის უჯრედს და დაფრინავს მაგნიტური ველის გასწვრივ, მაშინ მეზობელ სარკის უჯრედში ის სხვა ნაწილაკს შეეჯახება, რის შედეგადაც ის შეიძლება დაიჭიროს მეზობელ სარკის უჯრედს და შემდეგ ის დაეჯახება. "დაივიწყე" სად გაფრინდა. ამრიგად, ხაფანგიდან პლაზმის გაფართოება მნიშვნელოვნად შენელდება. მაგრამ GOL-3-ზე ცხელი პლაზმის შეკავების დრო 1 მილიწამამდეა, რაც შეიძლება მეცნიერთა უდავო მიღწევად იქნას აღიარებული.
მრავალსარკე ბუნება იწვევს ენერგიის გადაცემის არაერთგვაროვნებას სხივიდან პლაზმურ ელექტრონებში: სადაც მაგნიტური ველი უფრო ძლიერია, ელექტრონების გათბობა უფრო ძლიერია. სხივით გაცხელებისას, ტურბულენტობის მაღალი დონე ხელს უწყობს ელექტრონების თერმოგამტარობის ძლიერ (ათასჯერ მეტჯერ) ჩახშობას, შესაბამისად, ტემპერატურის არაერთგვაროვნება არ იკლებს და, შესაბამისად, პლაზმური წნევის დიდი ვარდნა ხდება: ამ მიზეზით. , პლაზმა მთლიანად იწყებს მოძრაობას. ორი საპირისპირო პლაზმური ნაკადი იწყებს მოძრაობას მაღალი წნევის უბნებიდან ორივე მხრიდან წნევის მინიმუმამდე, ეჯახება და თბება 1-2 კევ ტემპერატურამდე (ის ოდნავ უფრო მაღალია, ვიდრე მზის ცენტრში). სწრაფი გათბობის ეს მექანიზმი აღმოაჩინეს GOL-3-ში ოთხი წლის წინ ექსპერიმენტების დროს. თეორიიდან გამომდინარეობდა, რომ მას უნდა ახლდეს პლაზმის სიმკვრივის მკვეთრი ნახტომი, რაც მალევე აღმოაჩინეს ლაზერის სხივის ტომსონის გაფანტვით.
მთავარი სოლენოიდის გავლის შემდეგ, სხივი შედის გასასვლელ კვანძში, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ძლიერი ელექტრონული სხივი, ისევე როგორც პლაზმური ნაკადი, განადგურების გარეშე. ამისათვის გამომავალი კვანძის მაგნიტური ველი უნდა იყოს განსხვავებული, რაც ამცირებს ენერგიის სიმკვრივეს სხივში 50-ჯერ, ხოლო სხივის მიმღები უნდა იყოს გრაფიტისგან. გრაფიტის თავისებურება, პირველ რიგში, ის არის, რომ მას არ აქვს თხევადი ფაზა, ის მაშინვე აორთქლდება; მეორეც, მას აქვს უმნიშვნელო სიმკვრივე (2 გ / სმ 3), რის გამოც მასში ელექტრონების დიაპაზონი უფრო მაღალია, ვიდრე მეტალებში და, შესაბამისად, ენერგია გამოიყოფა უფრო დიდი მოცულობით და არ აღემატება ასაფეთქებელი ნივთიერების ზღურბლს. გრაფიტის განადგურება და, შესაბამისად, გრაფიტის ეროზია მცირეა - დაახლოებით 1 მიკრონი თითო გასროლაზე. მძლავრი პლაზმური ნაკადის არსებობა ნაგებობის გამოსავალზე შესაძლებელს ხდის ექსპერიმენტების ჩატარებას მასალების დასხივებაზე მომავლის თერმობირთვული რეაქტორებისთვის: ეს რეაქტორები დაექვემდებარება თერმული დატვირთვის ისეთ მაღალ დონეს, რაც ამჟამად არარეალურია. მიაღწიოს სხვა პლაზმურ ობიექტებში.
კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ამოცანა, რომელიც შეიძლება გადაიჭრას გასასვლელი კვანძის დახმარებით, არის სხივის ტრანსპორტირების უსაფრთხოების უზრუნველყოფა მთავარი სოლენოიდის მეშვეობით. პრობლემის მთელი სირთულე მდგომარეობს იმაში, რომ სხივის დენი სოლენოიდში (30 კA) მეტია მდგრადობის ზღურბლზე (GOL-3 კამერისთვის - 12 კA), ამიტომ სხივი არასტაბილურია და შეიძლება გადააგდოს მასზე. კედლის ან შიდა პალატის კონსტრუქციები, რაც გამოიწვევს მათ განადგურებას. ამ მიზნით, სხივის ინექციამდე, გამონადენი (ელვა) უნდა დაიშალოს გამომავალ კვანძში, შემდეგ კი მთავარი სოლენოიდი შეივსება შედარებით ცივი (რამდენიმე eV) წინასწარი პლაზმით, რომელშიც ელექტრონის სხივის დროს წარმოიქმნება კონტრდენი. ინექცია და იგი მთლიანად ანაზღაურებს სხივის დენს, რაც ზოგადად უზრუნველყოფს სისტემის სტაბილურობას (საერთო დენი არ აღემატება 3 კA-ს).
CTS-ის ერთ-ერთი ყველაზე სერიოზული პრობლემაა პლაზმის სტაბილურობა, ანუ ისეთი პირობების შექმნა, რომლებშიც პლაზმა ვერ დატოვებს ხაფანგს მაგნიტურ ველზე სხვადასხვა პლაზმური არასტაბილურობის განვითარების გამო. ღია ხაფანგებისთვის ფლეიტის არასტაბილურობა ყველაზე საშიშია. მისი არსი იმაში მდგომარეობს, რომ პლაზმა უბიძგებს ძალის მაგნიტურ ხაზებს ერთმანეთისგან და სრიალებს მათ შორის. GOL-3 პლაზმაში ეს არასტაბილურობა ითრგუნება მაგნიტური ველის ხაზების გადაადგილების გამო პლაზმის სხვადასხვა რადიუსზე, რაც წარმოიქმნება პლაზმაში დენების რთული კონფიგურაციის გამო. სხივის დენი მიედინება პლაზმის ცენტრში და ასევე არის ტურბულენტობის მაღალი დონე. საპირისპირო დენი მიედინება პლაზმაში, მაგრამ ცენტრში ტურბულენტობის გამო, მისი წინააღმდეგობა იზრდება - და საპირისპირო დენი მიედინება პლაზმური სვეტის ზედაპირის გასწვრივ. სწორხაზოვანი დენი თავის გარშემო ქმნის წრიულ მაგნიტურ ველს, რომელიც სოლენოიდის გრძივი ველთან ერთად იძლევა სპირალურ მაგნიტურ ველს. სხვადასხვა რადიუსზე დენი განსხვავებულია (და მიედინება სხვადასხვა მიმართულებით) - შესაბამისად, სპირალის სიმაღლეც და მიმართულებაც განსხვავებულია. სწორედ ამიტომ, როდესაც პლაზმური ფლეიტა მაგნიტური ველის ხაზებს ერთი რადიუსით აშორებს, ის სხვა კუთხით ეჯახება ველის ხაზებს და ვერ აშორებს მათ - ასე ითრგუნება ფლეიტის არასტაბილურობა.
ასევე რთული ამოცანაა ცხელი პლაზმის დიაგნოსტიკა, ანუ მისი ტემპერატურის, შემადგენლობის, სიმკვრივის, მაგნიტური ველის და მრავალი სხვა რამის დადგენა. იქ არ შეიძლება თერმომეტრის ჩასმა - შეიძლება აფეთქდეს - და პლაზმა გაცივდეს. ჩვენ უნდა გამოვიყენოთ სხვადასხვა სპეციალური მეთოდები, რომლებიც იყოფა პასიურ და აქტიურებად. პასიური დიაგნოსტიკის დახმარებით შესაძლებელია იმის შესწავლა, თუ რას გამოყოფს პლაზმა. აქტიურის დახმარებით - პლაზმაში შეიტანეთ, მაგალითად, ლაზერული შუქი ან ატომების სხივები და ნახეთ რა ხდება.
GOL-3 დაწესებულებაში პასიური დიაგნოსტიკიდან, ფოტონების დეტექტორები და სპექტრომეტრები მოქმედებენ ხილულ, ულტრაიისფერ, რენტგენის და გამა რაიონებში, ნეიტრონული დეტექტორები, მუხტის გაცვლის ნეიტრალური დეტექტორი, დიამაგნიტური ზონდები და როგოვსკის ხვეულები. აქტიურიდან - რამდენიმე ლაზერული სისტემა, ატომური სხივის ინჟექტორი და მყარი მარცვლების ინჟექტორი.
მიუხედავად იმისა, რომ ტოკამაკები ახლა ყველაზე ახლოს არიან რეაქტორის პარამეტრებთან (მათ აქვთ უფრო მაღალი ტემპერატურა და შეკავების დრო), GOL-3-ის წყალობით, მრავალი სარკის ხაფანგები ასევე განიხილება, როგორც თერმობირთვული რეაქტორის ვარიანტი. პლაზმური სიმკვრივე GOL-3-ში თითქმის ასჯერ მეტია, ვიდრე საშუალოდ ტოკამებში, უფრო მეტიც, ტოკამაკებისგან განსხვავებით, ამ ინსტალაციაში პლაზმური წნევის შეზღუდვა არ არსებობს. თუ წნევა შედარებულია მაგნიტური ველის წნევასთან (5 T ქმნის ~100 ატმოსფეროს წნევას), მაშინ ხაფანგი გადავა „კედლის“ შეზღუდვის რეჟიმში - მაგნიტური ველი გამოდევნილი პლაზმიდან (რადგან პლაზმა არის დიამაგნიტი) კონცენტრირდება და გაიზრდება კამერის კედლებთან და კვლავ შეძლებს პლაზმის შეკავებას. დღეისათვის, არ არსებობს ერთი მიზეზი, რომელიც ძირეულად შეზღუდავს ძირითადი თერმობირთვული პარამეტრების (n, T და ჩაკეტვის დრო) ზრდას მრავალ სარკე ხაფანგში.
დღეს GOL-3 ინსტალაციის გუნდის წინაშე მდგარი მთავარი ამოცანაა მრავალსარკიანი თერმობირთვული რეაქტორის კონცეფციის შემუშავება, ასევე ამ კონცეფციის ძირითადი დებულებების ექსპერიმენტული შემოწმება.
მარტო პურით კი არა... პურითაც
პლაზმური კვლევა არ შეიძლება ჩატარდეს დიაგნოსტიკის გარეშე და, შესაბამისად, INP-ის განვითარება ადვილად ყიდულობს. ინსტიტუტი დებს კონტრაქტებს ზოგიერთი დიაგნოსტიკური ხელსაწყოების მიწოდებაზე, მკვლევარები ამუშავებენ და აწყობენ ამ ინსტრუმენტებს საკუთარ სახელოსნოებში. ძირითადად, ეს არის დიაგნოსტიკური ინჟექტორები, მაგრამ არის ასევე ოპტიკური მოწყობილობები, ინტერფერომეტრები და ა.შ. საქმეები არ დგას: INP-მაც იცის ფულის შოვნა.
ლიტერატურა
1. ა.ბურდაკოვი, ა.აჟანნიკოვი, ვ.ასტრელინი, ა.ბეკლემიშევი, ვ.ბურმასოვი საერთოდ. პლაზმური გათბობა და ჩაკეტვა GOL-3 მრავალსარკიანი ხაფანგში // Fusion Science and Technology Transactions. - 2007. - ტ. 51. - არა. 2ტ. - გვ. 106-111 წწ.
2. ა. ვ. არჟანნიკოვი, ვ. ტ. ასტრელინი, ა. ვ. ბურდაკოვი, ი. ა. ივანოვი, ვ. ს. კოიდანი, ს. ა. კუზნეცოვი, კ.ი. მეკლერი, და ს.ვ. იონების სწრაფი გაცხელების მექანიზმის გამოკვლევა GOL-3 მრავალ სარკე ხაფანგში // პლაზმის ფიზ. - 2005. - T. 31. - No 6. - S. 506-520.
