Armadilhas abertas

As armadilhas abertas são um dos tipos de instalações para confinamento magnético de plasma termonuclear. As armadilhas abertas apresentam uma série de vantagens importantes sobre outros sistemas de contenção: são atraentes do ponto de vista da engenharia; eles usam efetivamente um campo magnético confinado ao plasma; permitem trabalhar em modo estacionário; eles resolvem o problema de remoção de produtos de reações termonucleares e impurezas pesadas do plasma de uma forma relativamente simples. No entanto, durante muito tempo acreditou-se que as perspectivas de armadilhas abertas como base de um reator termonuclear eram duvidosas devido à taxa muito alta de perda de plasma ao longo das linhas do campo magnético. A situação mudou para melhor apenas durante a última década, quando foram propostas uma série de melhorias nas armadilhas abertas, que eliminaram em grande parte esta desvantagem. A revisão descreve os princípios físicos de novos tipos de armadilhas abertas (ambipolar, centrífuga, espelho múltiplo, gasodinâmica, etc.), descreve o estado atual da pesquisa sobre eles e faz previsões para as perspectivas futuras desses sistemas. Estão sendo consideradas as possibilidades de utilização de armadilhas abertas como geradores de nêutrons de alto fluxo com energia de 14 MeV. Eu. 29. Bibliografia. referências 97 (102 títulos).

Cientistas do Instituto de Física Nuclear (INP) alcançaram aquecimento estável do plasma até 10 milhões de graus Celsius, informou a NSN Diretor Adjunto de Pesquisa do INP, Alexander Ivanov. O cientista explicou quais as perspectivas que esse desenvolvimento abre e por que, em princípio, elimina a geração de rejeitos radioativos.

- O BINP começou a considerar opções para a criação de um sistema termonuclear baseado em armadilha aberta. O que isto significa?

Se falamos em aquecer o plasma em 10 milhões de graus, devemos lembrar que esta temperatura é mais elevada do que no centro do Sol. Naturalmente, esse plasma quente não pode ser contido em algum tipo de recipiente com paredes de material - mesmo que sejam muito grossos, ainda queimarão. Para evitar isso, ou seja, reter o plasma quente, existem pelo menos duas maneiras.

A primeira é quando o plasma é colocado em um forte campo magnético toroidal, que altera a trajetória das partículas de plasma, após o que elas começam a se mover em círculos enrolados em torno das linhas do campo magnético. Neste caso, o plasma não se move através do campo magnético, não criando fluxo de calor. Este princípio é a base das instalações de tokamak, que têm o formato de um “donut” com um campo magnético em seu interior, propostas em nosso país para confinar magneticamente plasma para fusão termonuclear controlada. Na corrida de ideias sobre como criar o Sol na Terra, essas instalações estão agora na liderança.

Existe outro sistema. Simplificando, este é um longo tubo de armadilha aberto com um campo magnético longitudinal, onde o plasma é impedido de entrar em contato com a parede, mas se espalha de forma relativamente livre e atinge as paredes finais. Nessas armadilhas, aprendemos a fazer com que a perda de calor ao longo do campo magnético seja bastante reduzida em comparação com a expansão livre do plasma.

- A que distância estamos da criação de um reator termonuclear?

Existem reatores cujo princípio de funcionamento é baseado em tokamaks, outros em armadilhas abertas, e há também, por exemplo, sistemas pulsados, quando uma gota de combustível trítio-deutério é acesa com um laser e queima em milionésimos de segundo, fornecendo energia.

Quanto aos tokamaks, em 10 anos será lançado na França o grande reator ITER - uma estrutura ciclópica de grande complexidade, onde será demonstrada a combustão de plasma termonuclear. Além disso, a temperatura ali é aproximadamente 10 vezes maior do que a que podemos obter atualmente em armadilhas abertas.

Mas, no entanto, a uma temperatura de 10 milhões de graus, coisas muito úteis podem ser feitas - em particular, uma fonte muito poderosa de nêutrons, necessária, por exemplo, para testar materiais de um futuro reator termonuclear. (Ou seja, as paredes dos tokamaks durante os testes serão expostas a um fluxo muito poderoso de nêutrons, e os cientistas poderão simular totalmente a situação.) Fontes de nêutrons também podem ser usadas como drivers para reatores de fissão subcrítica - elas são inseridas dentro do sistema de um reator nuclear operando com um ganho de coeficiente menor que a unidade. Isto aumenta enormemente a segurança do sistema subcrítico, o que, em princípio, elimina a possibilidade de acidentes do tipo Chernobyl.

- Com que tipo de avanço sua conquista está “repleta”?

Agora, nós, especialistas nucleares russos, atingimos um nível em que podemos começar a conceber protótipos de fontes de neutrões tão poderosas. Se olharmos para o longo prazo, não vejo restrições em não aumentar a temperatura de aquecimento do plasma não para 10 milhões, mas, digamos, para 300 milhões de graus.

Com base nesta premissa, nós do BINP estamos considerando as possibilidades de criação da próxima geração de armadilhas, cujos parâmetros serão significativamente aumentados. E pensaremos seriamente em criar um reator ITER alternativo. Se tudo isto funcionar, o nosso reactor termonuclear baseado numa armadilha aberta poderá até ser muito mais atractivo comercialmente do que um baseado em tokamaks, e a estrutura que está a ser criada em França não pode competir com ele em termos de simplicidade técnica.

Chegamos agora a um nível em que podemos começar a projetar protótipos dessas poderosas fontes de nêutrons. Se olharmos para o longo prazo, não vejo restrições em não aumentar a temperatura de aquecimento do plasma não para 10 milhões, mas, digamos, para 300 milhões de graus.

Com base nesta premissa, nós do BINP estamos considerando as possibilidades de criação da próxima geração de armadilhas, cujos parâmetros serão significativamente aumentados. E pensaremos seriamente em criar um reator alternativo. Se tudo der certo, um reator de fusão baseado em armadilha aberta pode até ser comercialmente mais atraente do que um baseado em tokamaks.

- Reatores baseados em armadilha aberta... de que outras maneiras eles são preferíveis aos tokamaks?

Esperamos que o surgimento de reatores baseados em armadilhas abertas, nos quais estamos trabalhando atualmente, seja possível com certo desenvolvimento. Eles têm certas vantagens em comparação aos tokamaks. Por último, mas não menos importante, refiro-me à possibilidade de trabalhar com combustível termonuclear, que ou não produz quaisquer neutrões ou produz muito poucos deles, o que não está repleto do problema do armazenamento e eliminação a longo prazo de resíduos radioactivos.

Note-se que o Instituto de Física Nuclear já anunciou planos para desenvolver um reator ITER alternativo. O Instituto pretende finalizar a base técnica e econômica para o projeto de um protótipo de reator alternativo com o codinome GDML (Gas Dynamic Trap).

Base física de um projeto de reator termonuclear baseado em armadilha aberta

Instituto de Física Nuclear em homenagem. SB RAS, Novosibirsk, Federação Russa, *****@***ru
*Universidade Estadual de Novosibirsk, Novosibirsk, Federação Russa
**Universidade Técnica Estadual de Novosibirsk, Novosibirsk, Federação Russa

Em conexão com o desenvolvimento de um novo tipo de armadilhas axissimétricas abertas com plasma denso e supressão de perdas longitudinais por múltiplos espelhos (GDMLS), estimativas de como poderia ser um reator termonuclear baseado nelas são de grande interesse. Em particular, é necessário avaliar se nele é possível obter ignição, com quais ciclos de combustível ele poderia funcionar e em que condições, seu tamanho, potência e outras características em comparação com as características de um reator tokamak do tipo ITER. Tais avaliações permitirão determinar a direção de desenvolvimento em que as armadilhas abertas permanecerão competitivas em comparação com os tokamaks como reator de fusão. O segundo objetivo deste trabalho é revisar os problemas físicos e de engenharia associados ao confinamento de plasma em vários tipos de armadilhas, e como eles são resolvidos em sistemas como o HDML.

A revisão mostra que a armadilha pode ser considerada composta por dois subsistemas - o núcleo central e os sistemas de supressão de perdas longitudinais nas bordas. A zona ativa central deve ser uma câmara espelhada longa com um campo quase uniforme e uma pequena proporção de espelho da ordem de 1,5. Isto se deve ao fato de que aumentar o campo magnético confinante e, conseqüentemente, a densidade do plasma, acaba sendo muito mais lucrativo do que aumentar a proporção do espelho. Ao mesmo tempo, o campo máximo alcançável é limitado pelas capacidades técnicas dos supercondutores. A partir de baixo, a proporção do espelho magnético é limitada pela necessidade de reter a maioria dos produtos de reação carregados. Conforme mostrado no trabalho do grupo GDT, em tal configuração magnética é possível conter um plasma com alto b~0,6, com baixas perdas transversais. O núcleo pode ser fechado por dois tipos de sistemas de supressão de perdas longitudinais - ambipolar e multiespelho, e esses princípios podem ser combinados em um único dispositivo. Neste caso, o componente eletrônico quente é retido em qualquer caso pelo potencial eletrostático, e os elétrons frios das placas terminais são bloqueados nos expansores pelo potencial de Yushmanov. Este método também foi testado na instalação GDL. Além disso, barreiras térmicas podem ser usadas. A eficácia comparativa de vários sistemas de retenção longitudinal é considerada. A perda transversal numa configuração ideal deve ser metade da perda total. Com esta condição, ao otimizar o sistema ao longo de todo o comprimento, afetarão apenas o raio do plasma e a potência do reator. São consideradas as condições de ignição e combustão em estado estacionário (levando em consideração as mudanças na composição do plasma devido ao acúmulo de produtos de combustão) em reatores baseados no esquema descrito com ciclos de combustível D-T, D-D e D-He3. Os limites de ignição e combustão são obtidos em termos da combinação bBm2kL de temperatura, onde Bm é o campo magnético máximo (na primeira vela), k é o coeficiente de supressão do sistema final, L é o comprimento da zona ativa. As estimativas do tamanho e da potência do reator foram obtidas sob as limitações e escalas técnicas existentes. A potência mínima de um reator DT baseado em uma armadilha aberta e seu custo podem ser uma ordem de grandeza menor do que para sistemas como o ITER.

Literatura

Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. e outros. em Fusão para Nêutrons e Fissão Nuclear Subcrítica", AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, p. 147

Armadilha de fusão

O Instituto de Física Nuclear, como todos os institutos do Ramo Siberiano da Academia Russa de Ciências, é relativamente jovem: em 2008 terá apenas 50 anos - a mesma idade média dos seus funcionários. É gratificante ver que recentemente surgiram no BINP muitos estudantes de graduação e pós-graduação que planejam continuar suas pesquisas científicas dentro de seus muros. É sabido que os jovens de hoje são atraídos para onde é interessante, onde há perspectivas de crescimento. E no INP existem, sem dúvida, essas perspectivas. Deve-se também enfatizar que a realização dos experimentos modernos mais complexos requer os esforços não de uma pessoa, mas de uma equipe poderosa de pessoas com ideias semelhantes. É por isso que o influxo de novas forças é tão importante para o instituto...

Plasma é um assunto misterioso,
possuindo a propriedade de auto-organização

Plasma é um gás total ou parcialmente ionizado no qual a carga negativa total das partículas é igual à carga positiva total. E, portanto, em geral, é um meio eletricamente neutro ou, como dizem os físicos, tem a propriedade de quase-neutralidade. Este estado da matéria é considerado o quarto estado agregado (depois de sólido, líquido e gasoso) e é uma forma normal de existência em temperaturas da ordem de 10.000 graus Celsius e acima.

A pesquisa sobre esse estado incomum da matéria na natureza vem acontecendo há mais de um século. Desde a segunda metade do século XX, a “direção geral” tem sido a implementação de uma reação de fusão termonuclear controlada (CTF) autossustentável. Os coágulos de plasma de alta temperatura estão muito difundidos no Universo: basta mencionar o Sol e as estrelas. Mas na Terra há muito pouco disso. As partículas cósmicas e o vento solar ionizam a camada superior da camada atmosférica da Terra (ionosfera), e o plasma resultante é retido pelo campo magnético da Terra. Em outras palavras, é uma espécie de armadilha magnética terrestre. Durante períodos de aumento da atividade solar, o fluxo de partículas carregadas do vento solar deforma a magnetosfera do planeta. Devido ao desenvolvimento de instabilidades hidromagnéticas, o plasma penetra na alta atmosfera na região dos pólos - e os gases atmosféricos, interagindo com partículas carregadas de plasma, são excitados e emitidos. Isto é responsável pelo fenômeno da aurora, que só pode ser observada nos pólos.

Junto com a “direção geral” no estudo da física dos plasmas, existem outras, não menos importantes, aplicadas. Isto levou ao surgimento de inúmeras novas tecnologias: corte a plasma, soldagem e tratamento de superfícies metálicas. O plasma pode ser usado como fluido de trabalho em motores de naves espaciais e lâmpadas fluorescentes para iluminação. O uso de tecnologias de plasma causou uma verdadeira revolução na microeletrônica. Não só o desempenho do processador aumentou significativamente e a capacidade da memória aumentou, mas a quantidade de produtos químicos utilizados na produção também foi significativamente reduzida - assim, o nível de danos ambientais foi minimizado.

O plasma denso de alta temperatura existe apenas nas estrelas; na Terra só pode ser obtido em condições de laboratório. Este estado incomum da matéria surpreende a imaginação com um grande número de graus de liberdade e, ao mesmo tempo, a capacidade de auto-organização e resposta a influências externas. Por exemplo, o plasma pode ser mantido num campo magnético, fazendo com que ele assuma diferentes formas. No entanto, esforça-se por aceitar o estado que lhe é energeticamente mais favorável, o que muitas vezes leva ao desenvolvimento de diversas instabilidades, e, como um organismo vivo, libertar-se da rígida “gaiola” de uma armadilha magnética se a configuração de esta armadilha não combina com isso. É por isso que a tarefa dos físicos é criar condições para que o plasma seja estável, “viva” em uma armadilha por muito tempo e com calma e aqueça a temperaturas termonucleares de cerca de 10 milhões de graus Celsius.

Hoje, duas grandes armadilhas de plasma exclusivas operam com sucesso no BINP, que foram o resultado da aplicação prática de ideias e princípios originais nascidos dentro dos muros do instituto. Estas são armadilhas do tipo aberto, significativamente diferentes dos sistemas magnéticos fechados populares. Eles surpreendem com sua grandeza misteriosa e ao mesmo tempo facilidade de operação. Ao longo de toda a história de trabalho nas instalações, os cientistas conseguiram obter resultados importantes sobre aquecimento e confinamento de plasma quente denso, bem como fazer uma série de descobertas relacionadas às propriedades fundamentais deste quarto estado da matéria. Todos os anos apresentava algo novo e inusitado em uma ou outra condição de vida em armadilhas ao alterar a configuração do campo magnético, ao criar campos elétricos, ao adicionar várias impurezas, bem como ao injetar feixes poderosos no plasma e “sondar” o plasma com vários diagnósticos. E o plasma, “reagindo” a tais ações, ainda que com relutância, compartilhou seus segredos mais profundos com os pesquisadores...

Armadilha dinâmica de gás (GDT)

A instalação GDL, criada no Instituto de Física Nuclear de Novosibirsk em 1986, pertence à classe das armadilhas abertas e serve para conter plasma em campo magnético.

A configuração do campo magnético em uma armadilha axialmente simétrica aberta clássica é uma região alongada de um campo magnético uniforme com máximos nas bordas, que são alcançados usando bobinas anulares de um campo magnético forte. As áreas sob essas bobinas (aquelas áreas do espaço ocupadas pelo campo magnético em que ele atinge seu valor máximo) são geralmente chamadas de “tampões magnéticos”, e uma armadilha disposta de acordo com este princípio é chamada de “célula espelho”. No caso mais simples, o campo magnético na célula espelhada é criado apenas por espelhos magnéticos.

Partículas de plasma carregadas (elétrons negativos e íons positivos) movem-se ao longo das linhas do campo magnético entre os espelhos magnéticos, sendo refletidas a partir deles e realizando movimentos oscilatórios. Partículas com energia cinética suficiente para superar a barreira de potencial do tampão deixam a armadilha em um lance.

As diferenças entre uma armadilha dinâmica de gás (GDT) e uma célula espelho convencional descrita acima são a grande extensão da seção de campo homogênea no centro da armadilha e uma “razão de espelho” muito grande (a razão R = B 1 /B 2 dos valores do campo magnético no espelho e no centro da armadilha). Nesta configuração, o caminho livre médio dos íons é pequeno comparado ao comprimento da seção de um campo magnético uniforme, de modo que a saída do plasma da instalação ocorre de acordo com as leis da dinâmica dos gases, semelhante à saída do gás para dentro vácuo de um recipiente com um pequeno furo, o que explica o nome da instalação. Fazendo os “buracos” nos espelhos magnéticos muito pequenos e o volume ocupado pelo plasma grande, é possível obter um tempo de confinamento do plasma suficiente para realizar uma reação termonuclear controlada. É verdade que o comprimento desse reator espelho será de vários quilômetros. Contudo, a utilização de vários dispositivos, os chamados tampões ambipolares, que reduzem o fluxo de plasma para dentro dos tampões, reduzirá o comprimento do purgador para limites razoáveis. Portanto, as perspectivas do reator de tal armadilha permanecem atraentes. A aplicação termonuclear mais promissora do esquema de confinamento de plasma é a criação, baseada no GDT, de uma fonte simples e confiável de nêutrons rápidos com energia de 14 MeV, que nascem da reação de fusão dos núcleos de deutério e trítio. Na verdade, trata-se do mesmo reator termonuclear (só que com baixa eficiência), consumindo energia e produzindo nêutrons. Esse gerador de nêutrons pode ser usado para realizar testes científicos de materiais da primeira parede de um futuro reator termonuclear industrial ou para alimentar um reator de fissão com nêutrons de baixa energia, o que torna a energia nuclear moderna segura. O projeto de uma fonte de nêutrons baseada em uma armadilha gasodinâmica vem sendo desenvolvido há muitos anos no Instituto de Física Nuclear. Com o objetivo de testar de forma prática as previsões da teoria e acumular um banco de dados para a criação de uma fonte de nêutrons, um modelo experimental de armadilha gás-dinâmica - uma instalação GDL - foi criado no Instituto de Física Nuclear SB RAS.

Atualmente, a comunidade científica internacional, tratando da solução do problema do CTS, iniciou a construção da maior armadilha de plasma do tipo tokamak chamada ITER. Nas próximas décadas, o ITER deverá demonstrar a possibilidade de operar uma central termonuclear controlada e autossustentável baseada na reação de fusão de deutério e trítio.
No entanto, é óbvio que para o maior desenvolvimento da energia termonuclear do futuro e a construção de tais estações que funcionarão durante décadas e até séculos, hoje é necessário selecionar materiais confiáveis ​​​​que possam suportar fortes fluxos de nêutrons durante toda a sua vida útil. . Para testar esses materiais, é necessária uma poderosa fonte de nêutrons. O BINP vem desenvolvendo um projeto para tal fonte baseado em GDL há muitos anos.
Todos os princípios físicos subjacentes a uma fonte de neutrões compacta e relativamente barata baseada numa armadilha dinâmica de gás aberta estão actualmente a ser estudados numa experiência real sobre a acumulação, confinamento e aquecimento de plasma numa instalação GDT. Já hoje, medições diretas do fluxo de nêutrons emitidos estão sendo realizadas em experimentos com injeção de deutério. A reação de fusão deutério-deutério sob os parâmetros experimentais fornecidos produz, em geral, um pequeno fluxo comparado à reação deutério-trítio. Mas para verificar os cálculos do modelo, que estão planejados para serem usados ​​​​no futuro nos cálculos do reator fonte, eles são suficientes. Neste mês de dezembro, a instalação completa 22 anos: o primeiro plasma foi obtido no final de 1985. Quem a construiu e lançou ainda hoje trabalha no laboratório.
Mas a equipa também foi reabastecida com novos colaboradores, jovens e enérgicos: alguns deles têm a mesma idade da própria instalação GDL

A parte principal da instalação é uma célula espelhada axissimétrica de 7 m de comprimento, com campo de 0,3 T no centro e até 10 T nos plugues, projetada para conter plasma de dois componentes.

Um dos componentes - plasma “alvo” quente - tem uma temperatura de elétrons e íons de até 100 eV (isto é aproximadamente 1.200.000 graus Celsius) e uma densidade de ~ 5 10 19 partículas por metro cúbico. Este componente é caracterizado pelo modo de confinamento gás-dinâmico descrito acima. O outro componente são íons rápidos com energia média de ~ 10.000 eV e densidade de até 2 10 19 partículas por metro cúbico. Eles são formados como resultado da ionização no plasma alvo de poderosos feixes de átomos, injetados obliquamente na armadilha usando dispositivos especiais - injetores de átomos neutros. Este componente rápido é caracterizado pelo mesmo modo de confinamento de uma célula espelhada clássica: os íons rápidos se movem em órbitas magnéticas ao longo das linhas do campo magnético e são refletidos a partir de uma região de forte campo magnético. Nesse caso, os íons rápidos são desacelerados ao interagir com partículas do plasma alvo (principalmente elétrons) e aquecem-no a 100 eV e acima. Com injeção oblíqua e pequeno espalhamento angular de partículas, a densidade de íons rápidos acaba sendo fortemente atingida (grande) perto da região de reflexão, e esta circunstância é mais atraente para a implementação de uma fonte de nêutrons. O fato é que o fluxo de nêutrons na reação de fusão é proporcional ao quadrado da densidade dos íons deutério e trítio. E portanto, com tal seleção de densidade, ela ficará concentrada apenas na área de parada, onde ficará localizada a “zona de teste”. O restante do espaço de instalação sofrerá uma carga de nêutrons muito menor, o que eliminará a necessidade de proteção dispendiosa de nêutrons para todos os componentes do gerador.

Um problema importante no caminho para a criação de um reator e fonte de nêutrons baseado em uma célula espelho axialmente simétrica é a estabilização do plasma através do campo magnético. No esquema GDT, isso é conseguido graças a seções adicionais especiais com um perfil de campo magnético favorável à estabilidade, que estão localizadas atrás dos plugues magnéticos e garantem uma estabilização confiável do plasma.

Outro problema importante da fusão termonuclear controlada (CTF) baseada em armadilhas abertas é o isolamento térmico do plasma da parede final. O fato é que, diferentemente de sistemas fechados como o tokamak ou o stellarator, o plasma sai de uma armadilha aberta e entra nos receptores de plasma. Neste caso, os elétrons frios emitidos sob a ação do fluxo da superfície do receptor de plasma podem penetrar de volta na armadilha e resfriar bastante o plasma. Em experimentos estudando o confinamento longitudinal em uma instalação GDL, foi possível demonstrar que o campo magnético em expansão atrás do plugue em frente ao receptor de plasma nos tanques finais - expansores - evita a penetração de elétrons frios na armadilha e fornece isolamento térmico eficaz da parede final.

No âmbito do programa experimental GDL, estão sendo realizados trabalhos em andamento relacionados ao aumento da estabilidade, temperatura alvo e densidade de partículas plasmáticas rápidas; com o estudo do seu comportamento nas diversas condições de funcionamento da instalação, etc. Também está sendo realizado o estudo das propriedades fundamentais. Vale ressaltar que a gama de interesses científicos e de pesquisas relacionadas ao plasma é muito ampla.

A instalação GDL está equipada com as mais modernas ferramentas de diagnóstico. A maioria deles foi desenvolvida em nosso laboratório e, entre outras coisas, é fornecida por contrato para outros laboratórios de plasma, inclusive estrangeiros.

A equipe de cientistas, engenheiros e técnicos que conduzem pesquisas nas instalações do GDT é pequena, mas incrivelmente capaz. O elevado nível de qualificação de todos os seus membros ajuda-os a alcançar resultados elevados. Além disso, a força de trabalho científica é constantemente reabastecida com “sangue jovem” - graduados da Universidade Estadual de Novosibirsk e da Universidade Técnica Estadual de Novosibirsk. Alunos de diversos cursos, em estágio prático em laboratório, desde os primeiros dias participam ativamente em experimentos, contribuindo diretamente para a criação de novos conhecimentos. Após o primeiro curso, eles permanecem para estágio prático em laboratório, defendem com sucesso seus diplomas, ingressam na pós-graduação e preparam as dissertações de seus candidatos. Não esconderemos que isso nos deixa extremamente felizes, líderes científicos.

Outra armadilha - "GOL-3" - e um ângulo ligeiramente diferente na fusão termonuclear

A humanidade vive uma escassez de energia elétrica e num futuro próximo este problema se tornará uma prioridade: as reservas de combustível - petróleo e gás - utilizadas nas principais usinas modernas, infelizmente, estão se esgotando. É por isso que os reactores termonucleares deverão tornar-se a base da indústria de energia eléctrica do futuro.

As reações termonucleares são reações de fusão de núcleos leves, como os isótopos de hidrogênio deutério e trítio, liberando grandes quantidades de energia. Para realizar essas reações, são necessárias altas temperaturas - mais de 10 milhões de graus Celsius. Sabe-se que qualquer substância a uma temperatura superior a 10 mil graus Celsius transforma-se em plasma. O contato com um corpo sólido leva ao resfriamento instantâneo e à destruição explosiva da superfície do corpo sólido, portanto o plasma deve ser isolado da estrutura: para isso é colocado em um campo magnético.

É extremamente difícil aquecer uma substância a temperaturas enormes e mantê-la num campo magnético por muito tempo - e por isso muitos especialistas consideram a fusão termonuclear controlada (CTF) a tarefa mais difícil já enfrentada pela humanidade.

A instalação GOL-3 no Instituto de Física Nuclear SB RAS foi projetada para aquecer e conter plasma termonuclear em um campo magnético de espelhos múltiplos. A instalação consiste em três partes principais: o acelerador U-2, um solenóide de 12 metros (uma unidade para criar um campo magnético forte) e uma unidade de saída.

O feixe de elétrons utilizado na instalação é criado pelo acelerador mais potente do mundo (em sua classe) U-2. Nele, os elétrons são puxados por um campo elétrico de um cátodo de emissão explosiva e acelerados por uma voltagem de cerca de 1 milhão de volts. Com uma corrente de 50.000 Amperes, a potência do sistema chega a 50 GW. (Mas todo Novosibirsk consome 20 vezes menos energia durante o dia.) Com uma duração de feixe de cerca de 8 microssegundos, contém até 200.000 J de energia (o que equivale à explosão de uma granada de mão).

No solenóide principal, quando um feixe passa através de um plasma de deutério com densidade n = 10 20 -10 22 partículas por metro cúbico, devido ao desenvolvimento de instabilidade de dois fluxos, surge um grande nível de microturbulência e o feixe perde a 40% de sua energia, transferindo-a para os elétrons do plasma. A taxa de aquecimento é muito alta: em 3-4 microssegundos, os elétrons do plasma são aquecidos a uma temperatura de cerca de 2.000-4.000 eV (23-46 milhões de graus Celsius: 1 eV = 11.600 graus Celsius) - este é um recorde mundial para armadilhas abertas (para comparação: na instalação 2XIIB nos EUA, a temperatura não excedeu 300 eV versus 2.000-4.000 eV no GOL-3).

O campo magnético no solenóide principal é multiespelho (55 células espelho), ou seja, os máximos (5 T) e mínimos (3 T) do campo se alternam, e a distância entre os máximos (22 cm) é da ordem de o comprimento do caminho iônico. A que isso leva: se um íon deixa uma única célula-espelho e voa ao longo do campo magnético, então em uma célula-espelho vizinha ele colidirá com outra partícula, como resultado, ele pode ser capturado por uma célula-espelho vizinha, e então ele vai “esquecer” para onde estava voando. Assim, a expansão do plasma da armadilha é significativamente retardada. Mas o tempo de retenção do plasma quente no GOL-3 é de até 1 milissegundo, o que pode ser considerado uma conquista indiscutível dos cientistas.

Espelhos múltiplos levam à falta de homogeneidade na transferência de energia do feixe para os elétrons do plasma: onde o campo magnético é mais forte, o aquecimento dos elétrons é mais forte. Quando aquecido por um feixe, um alto nível de turbulência contribui para uma forte supressão (mais de mil vezes) da condutividade térmica eletrônica, de modo que as heterogeneidades de temperatura não são equalizadas e, conseqüentemente, ocorrem grandes diferenças na pressão do plasma: por esta razão, o o plasma começa a se mover como um todo. De áreas de alta pressão a mínimos de pressão em ambos os lados, dois fluxos de contra-plasma começam a se mover, que colidem e aquecem a uma temperatura de 1-2 keV (é um pouco mais alta do que no centro do Sol). Este mecanismo de aquecimento rápido foi descoberto no GOL-3 há quatro anos, durante experimentos. Da teoria seguiu-se que deveria ser acompanhado por saltos bruscos na densidade do plasma, que logo foram descobertos pelo espalhamento de um feixe de laser de Thomson.

Após passar pelo solenóide principal, o feixe entra no nó de saída, que é capaz de receber um poderoso feixe de elétrons, bem como um fluxo de plasma, sem ser destruído. Para isso, o campo magnético no nó de saída deve ser divergente, o que reduz em 50 vezes a densidade de energia do feixe, e o receptor do feixe deve ser de grafite. A peculiaridade do grafite, em primeiro lugar, é que ele não possui fase líquida, evapora imediatamente; em segundo lugar, tem uma densidade baixa (2 g/cm 3 ), devido à qual o alcance dos elétrons nele é maior do que nos metais e, portanto, a energia é liberada em um volume maior e não excede o limiar de destruição explosiva de grafite e, portanto, a erosão da grafite é pequena - cerca de 1 mícron por disparo. A presença de um poderoso fluxo de plasma na saída da instalação permite a realização de experimentos de irradiação de materiais para reatores termonucleares do futuro: esses reatores estarão sujeitos a um nível de cargas térmicas tão elevado, o que ainda é irrealista para alcançar em outras instalações de plasma hoje.

Outra tarefa importante que pode ser resolvida com a unidade de saída é garantir a segurança do transporte do feixe através do solenóide principal. A complexidade do problema reside no fato de que a corrente do feixe no solenóide (30 kA) é maior que o limite de estabilidade (para a câmera GOL-3 - 12 kA), portanto o feixe é instável e pode ser lançado na parede ou estruturas intra-câmaras, o que levará à sua destruição. Para tanto, antes da injeção do feixe, uma descarga (raio) deve ser atingida no nó de saída, e então o solenóide principal será preenchido com plasma preliminar relativamente frio (vários eV), no qual, após a injeção do feixe de elétrons, um a contracorrente é induzida e compensa completamente a corrente do feixe, o que em geral garantirá a estabilidade do sistema (a corrente total não excederá 3 kA).

Um dos problemas mais sérios do CTS é a estabilidade do plasma, isto é, a criação de condições sob as quais o plasma não poderia sair da armadilha através do campo magnético devido ao desenvolvimento de várias instabilidades do plasma. Para purgadores abertos, o mais perigoso é a instabilidade do sulco. Sua essência é que o plasma separa as linhas de força magnética e desliza entre elas. No plasma GOL-3, essa instabilidade é suprimida devido ao deslocamento das linhas do campo magnético em diferentes raios do plasma, que surge devido à configuração complexa das correntes no plasma. A corrente do feixe flui no centro do plasma e também há um alto nível de turbulência. A corrente reversa flui através do plasma, mas devido à turbulência no centro, sua resistência aumenta - e a corrente reversa flui ao longo da superfície do cordão de plasma. A corrente retilínea cria um campo magnético circular ao seu redor, que, juntamente com o campo longitudinal do solenóide, produz um campo magnético espiral. Em raios diferentes, a corrente é diferente (e flui em direções diferentes) - portanto, o passo e a direção da espiral também são diferentes. É por isso que quando uma ranhura de plasma separa as linhas do campo magnético em um raio, ela encontra linhas de campo em um ângulo diferente e não consegue separá-las - é assim que a instabilidade da ranhura é suprimida.

Diagnosticar plasma quente também é uma tarefa difícil, ou seja, determinar sua temperatura, composição, densidade, intensidade do campo magnético e muito mais. Você não pode inserir um termômetro ali - ele pode explodir - e o plasma esfriará. É necessário utilizar vários métodos especiais, que se dividem em passivos e ativos. Usando diagnósticos passivos, você pode estudar o que o plasma emite. Com a ajuda dos ativos, injete, por exemplo, luz laser ou feixes de átomos no plasma e veja o que sai dele.

Entre os diagnósticos passivos, a instalação do GOL-3 opera detectores de fótons e espectrômetros nas regiões visível, ultravioleta, raios X e gama, detectores de nêutrons, detector neutro de troca de carga, sondas diamagnéticas e cinturões de Rogowski. Os ativos incluem vários sistemas de laser, um injetor de feixe atômico e um injetor de grãos de estado sólido.

Embora os tokamaks estejam agora mais próximos dos parâmetros do reator (eles têm temperatura e tempo de confinamento mais elevados), graças ao GOL-3, as armadilhas multiespelhos também estão sendo consideradas uma variante de um reator de fusão. A densidade do plasma no GOL-3 é quase cem vezes maior do que nos tokamaks, em média, além disso, ao contrário dos tokamaks, não há restrições à pressão do plasma nesta instalação. Se a pressão for comparável à pressão do campo magnético (5 T cria uma pressão de ~100 atmosferas), então a armadilha entrará no modo de confinamento de “parede” - o campo magnético empurrado para fora do plasma (já que o plasma é diamagnético) se concentrará e aumentará próximo às paredes da câmara e ainda será capaz de reter o plasma. Atualmente, não existe uma única razão que limite fundamentalmente o crescimento dos principais parâmetros termonucleares (n, T e tempo de confinamento) em armadilhas multiespelhos.

A principal tarefa que a equipe da instalação GOL-3 enfrenta hoje é o desenvolvimento do conceito de reator termonuclear de múltiplos espelhos, bem como a verificação experimental das principais disposições deste conceito.

Não só de pão... Mas de pão também

A pesquisa de plasma não pode ser realizada sem diagnóstico e, portanto, os desenvolvimentos do BINP são facilmente adquiridos. O instituto celebra contratos para o fornecimento de determinadas ferramentas de diagnóstico, e os pesquisadores se dedicam ao desenvolvimento e montagem dessas ferramentas em suas próprias oficinas. São principalmente injetores de diagnóstico, mas também existem alguns dispositivos ópticos, interferômetros, etc. A questão não pára: o BINP também sabe ganhar dinheiro.

Literatura

1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov em geral. Aquecimento e confinamento de plasma na armadilha multiespelho GOL-3 // Transactions of Fusion Science and Technology. - 2007. - Vol. 51. - Não. 2T. - Pp. 106-111.

2. A. V. Arzhannikov, V. T. Astrelin, A. V. Burdakov, I. A. Ivanov, V. S. Koidan, S. A. Kuznetsov, K. I. Mekler, S. V. Polosatkin, V. V. Postupaev, A. F. Rovenskikh, S. L. Sinitsky, Yu. S. Sulyaev, A. A. Shoshin. Estudo do mecanismo de aquecimento rápido de íons na armadilha multiespelho GOL-3 // Física do Plasma. - 2005. - T. 31. - Nº 6. - P. 506-520.

Mais de meio século se passou desde que o trabalho sobre fusão termonuclear controlada começou no mundo. A solução para este problema deveria fornecer à humanidade uma fonte de energia quase ilimitada.

A princípio, parecia que o problema do uso pacífico da fusão de núcleos leves para produção de energia poderia ser resolvido muito rapidamente, especialmente porque havia um exemplo próximo, quando menos de quatro anos se passaram desde o primeiro teste de uma bomba atômica até a criação da primeira central nuclear da União Soviética. Mas com a fusão termonuclear controlada tudo acabou sendo muito mais complicado e o caminho para sua implementação acabou sendo muito mais longo do que parecia à primeira vista.

Para resolver esse problema, foi necessário criar um plasma denso de alta temperatura, mantê-lo por muito tempo e aproveitar a energia das reações nucleares que nele ocorrem. Foi proposto usar um forte campo magnético para confinar o plasma. Porém, já nos primeiros experimentos foi descoberto que o plasma em um campo magnético se comporta de maneira imprevisível e é rapidamente perdido na armadilha. Demorou muito para compreender os processos mais complexos que ocorrem no plasma e avançar para a criação de um reator termonuclear.

Armadilha multi-espelho GOL-3 - preparação para O experimento está em pleno andamento.

Até à data, em experiências com instalações toroidais (em forma de donut - Ed.) do tipo tokamak, registaram-se progressos significativos nos parâmetros do plasma quente, o que permitiu passar directamente à tarefa de construção da instalação do ITER, em cuja combustão de plasma termonuclear será mantida por muito tempo a um nível de potência de 500 MW. O projecto ITER, é claro, é de enorme importância para toda a humanidade. A sua escala é tão grande que a sua implementação só se tornou possível com base numa ampla cooperação internacional.

Ao mesmo tempo, mesmo a demonstração bem-sucedida no ITER da combustão de plasma termonuclear não significa de forma alguma que os futuros reatores termonucleares serão construídos com base em tokamaks. Paralelamente, em estudos sobre a física do plasma de alta temperatura, foi proposta a utilização de armadilhas abertas com espelhos magnéticos, topologicamente diferentes dos tokamaks, para contê-lo. Essas armadilhas têm uma série de vantagens fundamentais em comparação com os tokamaks. Em particular, têm uma concepção mais simples, o que poderá no futuro ser um argumento significativo a favor da sua utilização como reactor de fusão. No entanto, resta demonstrar na prática que é possível atingir parâmetros plasmáticos elevados nestas armadilhas, que ainda são visivelmente inferiores ao necessário. Progressos significativos neste sentido foram alcançados nos últimos anos utilizando instalações modernas deste tipo com melhor confinamento de plasma no Instituto de Física Nuclear SB RAS, que foi e continua a ser um dos líderes mundiais nesta área de investigação.

Painel de controle GOL-3.

Uma dessas instalações é a armadilha multiespelho GOL-3, onde são realizados experimentos com plasma denso (até 1023 m -3). Vários resultados exclusivos foram obtidos com esta instalação. Em particular, foi descoberto o efeito de supressão da condutividade térmica longitudinal do elétron em três ordens de grandeza devido ao desenvolvimento de microturbulência no plasma durante a passagem de um feixe de elétrons relativístico, o que possibilitou a obtenção de uma temperatura do elétron de 4 keV em a Armadilha. Em uma configuração magnética multiespelho, o efeito do rápido aquecimento de íons a uma temperatura de 2 keV em uma densidade de plasma de 1021 m -3 foi descoberto e explicado. Os parâmetros alcançados permitem simular processos físicos em um reator termonuclear multiespelho. Além disso, a instalação permite estudar os efeitos da interação do plasma elétron-quente com a superfície em tokamaks com plasma termonuclear.

Armadilha dinâmica de gás GDL - protótipo poderosa fonte de nêutrons.

O instituto propôs e rapidamente implementou outro esquema de armadilhas abertas modernas - a chamada armadilha de plasma dinâmica de gás (GPL). O comprimento do GDL e a magnitude do campo magnético no centro e nas extremidades são escolhidos de modo que o caminho livre médio efetivo dos íons seja menor que o comprimento da instalação. Nessas condições, a vida útil do plasma é determinada da mesma forma que se calcula as perdas de gás comum através de uma abertura de um recipiente, à qual está associado o nome da instalação. O tempo de vida do plasma em um GDT é insensível à possibilidade de excitação de microflutuações nele, e isso torna confiável a previsão dos resultados experimentais e sua extrapolação para as condições do reator. Outra vantagem do GDL é a capacidade de garantir a estabilidade hidrodinâmica do plasma dentro de uma configuração axissimétrica. Estas conclusões teóricas já foram confirmadas experimentalmente. A armadilha gasodinâmica tem perspectivas tanto em termos puramente de reator quanto como base para a criação de uma fonte de nêutrons termonucleares para a ciência dos materiais.

Jovens colaboradores do grupo GDL.

Na instalação do GDL, a injeção de feixes atômicos de deutério com potência total de cerca de 4 MW permite aumentar a pressão do plasma na armadilha para quase metade da pressão do campo magnético confinante. A radiação de nêutrons observada neste caso concentra-se principalmente nos pontos de parada dos deutérios rápidos injetados na armadilha em um ângulo de 45 graus. Estão em andamento trabalhos para aumentar ainda mais a potência e a duração da injeção, a fim de reproduzir no experimento as condições que existirão no plasma de deutério-trítio de uma fonte de nêutrons com densidade de fluxo de nêutrons de 14 MeV de 0,5 MW/m 2. Um aumento adicional na injeção deverá aumentar a densidade do fluxo de nêutrons para 2 MW/m 2, o que é necessário para testar materiais do futuro reator termonuclear tokamak em cargas máximas.

Foto de V. Novikov

A. Ivanov, Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas, BINP