Otvorte pasce

Otvorené lapače sú jedným z typov zariadení na magnetické obmedzenie termonukleárnej plazmy. Otvorené pasce majú v porovnaní s inými systémami zadržiavania množstvo dôležitých výhod: sú atraktívne z technického hľadiska; efektívne využívajú magnetické pole obmedzujúce plazmu; umožňujú prácu v stacionárnom režime; pomerne jednoduchým spôsobom riešia problém odstraňovania produktov termonukleárnej reakcie a ťažkých nečistôt z plazmy. Dlho sa však verilo, že vyhliadky otvorených pascí ako základu termonukleárneho reaktora sú pochybné kvôli príliš vysokej miere straty plazmy pozdĺž siločiar magnetického poľa. Situácia sa k lepšiemu zmenila až v poslednom desaťročí, kedy bolo navrhnutých množstvo vylepšení otvorených pascí, ktoré tento nedostatok do značnej miery odstránili. Prehľad načrtáva fyzikálne princípy nových typov otvorených lapačov (ambipolárne, odstredivé, viaczrkadlové, plynové dynamické atď.), opisuje súčasný stav ich výskumu a vytvára prognózy budúcich perspektív týchto systémov. Uvažuje sa o možnostiach využitia otvorených pascí ako generátorov neutrónov s vysokým tokom s energiou 14 MeV. Il. 29. Bibliografia. odkazy 97 (102 titulov).

Vedci z Ústavu jadrovej fyziky (INP) dosiahli stabilný ohrev plazmy na 10 miliónov stupňov Celzia, uviedla NSN Zástupca riaditeľa INP pre výskum Alexander Ivanov. Vedec vysvetlil, aké vyhliadky tento vývoj otvára a prečo v zásade eliminuje tvorbu rádioaktívneho odpadu.

- BINP začal zvažovať možnosti vytvorenia termonukleárneho systému založeného na otvorenej pasci. Čo to znamená?

Ak hovoríme o zahriatí plazmy o 10 miliónov stupňov, musíme si uvedomiť, že táto teplota je vyššia ako v strede Slnka. Prirodzene, takáto horúca plazma nemôže byť obsiahnutá v nejakej nádobe s materiálnymi stenami - aj keď sú veľmi hrubé, stále budú horieť. Aby sa tomu predišlo, teda aby sa udržala horúca plazma, existujú minimálne dva spôsoby.

Prvým je, keď je plazma umiestnená do silného toroidného magnetického poľa, ktoré zmení trajektóriu častíc plazmy, po ktorej sa začnú pohybovať v kruhoch navinutých okolo magnetických siločiar. V tomto prípade sa plazma nepohybuje cez magnetické pole a nevytvára žiadny tepelný tok. Tento princíp je základom pre inštalácie tokamaku, ktoré majú tvar „donutu“ s magnetickým poľom vo vnútri, u nás navrhovaných na magneticky obmedzujúcu plazmu pre riadenú termonukleárnu fúziu. V pretekoch nápadov, ako vytvoriť Slnko na Zemi, tieto inštalácie teraz vedú.

Existuje iný systém. Zjednodušene povedané, ide o dlhú otvorenú zachytávaciu trubicu s pozdĺžnym magnetickým poľom, kde je plazma držaná v kontakte so stenou, ale relatívne voľne sa šíri pozdĺž a naráža na koncové steny. V týchto pasciach sme sa naučili robiť to tak, že tepelné straty pozdĺž magnetického poľa sú výrazne znížené v porovnaní s voľnou expanziou plazmy.

- Ako ďaleko sme od vytvorenia termonukleárneho reaktora?

Sú reaktory, ktorých princíp fungovania je založený na tokamakoch, iné na otvorených lapačoch a existujú napríklad aj pulzné systémy, kedy sa laserom zapáli kvapka paliva trícium-deutérium, ktorá zhorí v milióntinách sekundy, poskytovanie energie.

Čo sa týka tokamakov, o 10 rokov bude vo Francúzsku spustený veľký reaktor ITER - kyklopská štruktúra veľkej zložitosti, kde sa bude demonštrovať spaľovanie termonukleárnej plazmy. Teplota je tam navyše približne 10-krát vyššia, než akú môžeme v súčasnosti získať v otvorených pasciach.

No napriek tomu sa pri teplote 10 miliónov stupňov dajú robiť veľmi užitočné veci – najmä veľmi výkonný zdroj neutrónov, ktorý je potrebný napríklad na testovanie materiálov budúceho termonukleárneho reaktora. (To znamená, že steny tokamakov budú počas testovania vystavené veľmi silnému toku neutrónov a vedci tak budú môcť plne simulovať situáciu.) Zdroje neutrónov možno použiť aj ako budiče pre podkritické štiepne reaktory - vkladajú sa vnútri systému jadrového reaktora pracujúceho so ziskom koeficientu je menší ako jednota. To výrazne zvyšuje bezpečnosť podkritického systému, čo v zásade vylučuje možnosť havárií černobyľského typu.

- Aký druh prielomu je váš úspech „plný“?

Teraz sme my, ruskí jadroví špecialisti, dosiahli úroveň, na ktorej môžeme začať navrhovať prototypy takýchto výkonných neutrónových zdrojov. Ak sa pozrieme z dlhodobého hľadiska, nevidím žiadne obmedzenia na nezvyšovanie teploty ohrevu plazmy nie na 10 miliónov, ale povedzme na 300 miliónov stupňov.

Na základe tohto predpokladu uvažujeme v BINP o možnostiach vytvorenia ďalšej generácie lapačov, ktorých parametre sa výrazne zvýšia. A budeme vážne uvažovať o vytvorení alternatívneho reaktora ITER. Ak sa toto všetko podarí, náš termonukleárny reaktor založený na otvorenom pasci môže byť dokonca komerčne oveľa atraktívnejší ako reaktor založený na tokamakoch a štruktúra, ktorá vzniká vo Francúzsku, mu nemôže konkurovať z hľadiska technickej jednoduchosti.

Teraz sme dosiahli úroveň, na ktorej môžeme začať navrhovať prototypy takýchto výkonných neutrónových zdrojov. Ak sa pozrieme z dlhodobého hľadiska, nevidím žiadne obmedzenia na nezvyšovanie teploty ohrevu plazmy nie na 10 miliónov, ale povedzme na 300 miliónov stupňov.

Na základe tohto predpokladu uvažujeme v BINP o možnostiach vytvorenia ďalšej generácie lapačov, ktorých parametre sa výrazne zvýšia. A budeme vážne uvažovať o vytvorení alternatívneho reaktora. Ak všetko vyjde, fúzny reaktor založený na otvorenom pasci môže byť dokonca komerčne atraktívnejší ako reaktor založený na tokamakoch.

- Reaktory založené na otvorenej pasci... v čom sú iné ako tokamaky?

Dúfame, že vznik reaktorov založených na otvorených pasciach, na ktorých práve pracujeme, bude možný s určitým vývojom. V porovnaní s tokamakmi majú určité výhody. V neposlednom rade mám na mysli možnosť pracovať na termonukleárnom palive, ktoré neutróny buď neprodukuje vôbec, alebo ich produkuje len veľmi málo, čo nie je spojené s problémom dlhodobého skladovania a ukladania rádioaktívneho odpadu.

Všimnite si, že Inštitút jadrovej fyziky už oznámil plány na vývoj alternatívneho reaktora ITER. Ústav plánuje dopracovať technicko-ekonomický základ pre projekt prototypu alternatívneho reaktora s kódovým označením GDML (Gas Dynamic Trap).

Fyzikálne základy konštrukcie termonukleárneho reaktora založeného na otvorenom pasci

Ústav jadrovej fyziky pomenovaný po. SB RAS, Novosibirsk, RF, ****@***ru
*Novosibirská štátna univerzita, Novosibirsk, Ruská federácia
**Novosibirská štátna technická univerzita, Novosibirsk, Ruská federácia

V súvislosti s vývojom nového typu otvorených osovo symetrických pascí s hustou plazmou a viaczrkadlovým potlačením pozdĺžnych strát (GDMLS) sú veľmi zaujímavé odhady, ako by mohol vyzerať termonukleárny reaktor na nich založený. Predovšetkým je potrebné vyhodnotiť, či sa v ňom dá dosiahnuť vznietenie, s akými palivovými cyklami by mohol pracovať a za akých podmienok, jeho veľkosť, výkon a ďalšie vlastnosti v porovnaní s charakteristikami tokamakového reaktora typu ITER. Takéto hodnotenia umožnia určiť smer vývoja, v ktorom zostanú otvorené pasce konkurencieschopné v porovnaní s tokamakmi ako fúznym reaktorom. Druhým cieľom tejto práce je preskúmať fyzikálne a inžinierske problémy spojené s plazmovým zadržiavaním v rôznych typoch pascí a ako sú riešené v systémoch, ako je HDML.

Z prehľadu vyplýva, že pascu možno považovať za zloženú z dvoch podsystémov – centrálneho jadra a systémov na potlačenie pozdĺžnych strát pozdĺž okrajov. Centrálna aktívna zóna by mala byť dlhá zrkadlová komora s kvázi rovnomerným poľom a malým zrkadlovým pomerom rádovo 1,5. Je to spôsobené tým, že zvýšenie obmedzujúceho magnetického poľa a následne hustoty plazmy je oveľa výnosnejšie ako zvýšenie zrkadlového pomeru. Maximálne dosiahnuteľné pole je zároveň limitované technickými možnosťami supravodičov. Zospodu je pomer magnetického zrkadla obmedzený požiadavkou zachovať väčšinu nabitých reakčných produktov. Ako je uvedené v práci skupiny GDT, v takejto magnetickej konfigurácii je možné obsiahnuť plazmu s vysokým b~0,6, s nízkymi priečnymi stratami. Jadro je možné uzavrieť dvomi typmi systémov pozdĺžneho potláčania strát – ambipolárnym a multizrkadlovým, pričom tieto princípy možno kombinovať v jednom zariadení. V tomto prípade je horúca elektronická súčiastka v každom prípade zadržaná elektrostatickým potenciálom a studené elektróny z koncových dosiek sú uzamknuté v expandéroch Jushmanovovým potenciálom. Táto metóda bola testovaná aj na inštalácii GDL. Okrem toho je možné použiť tepelné bariéry. Zvažuje sa porovnávacia účinnosť rôznych pozdĺžnych retenčných systémov. Priečna strata v optimálnej konfigurácii by mala byť polovicou celkovej straty. S touto podmienkou pri optimalizácii systému po celej dĺžke ovplyvnia iba polomer plazmy a výkon reaktora. Uvažujú sa podmienky pre zapálenie a spaľovanie v ustálenom stave (berúc do úvahy zmeny v zložení plazmy v dôsledku akumulácie produktov spaľovania) v reaktoroch založených na opísanej schéme s palivovými cyklami D-T, D-D a D-He3. Hranice vznietenia a horenia sa získajú z hľadiska kombinácie bBm2kL teploty, kde Bm je maximálne magnetické pole (v prvej zátke), k je koeficient potlačenia koncového systému, L je dĺžka aktívnej zóny. Odhady veľkosti a výkonu reaktora boli získané pri existujúcich technických obmedzeniach a mierkach. Minimálny výkon D-T reaktora založeného na otvorenom pasci a jeho náklady môžu byť rádovo nižšie ako v prípade systémov ako ITER.

Literatúra

Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. a kol. in Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Štiepenie, AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, s. 147

Fúzna pasca

Ústav jadrovej fyziky, podobne ako všetky ústavy Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied, je relatívne mladý: v roku 2008 bude mať len 50 rokov – teda rovnako ako priemerný vek jeho zamestnancov. Je potešujúce, že v poslednom čase sa na BINP objavilo mnoho absolventov a študentov vysokých škôl, ktorí plánujú pokračovať vo vedeckom výskume v jeho múroch. Je známe, že dnešnú mládež to ťahá tam, kde je to zaujímavé, kde sú vyhliadky na rast. A v INP takéto vyhliadky nepochybne sú. Treba tiež zdôrazniť, že vykonávanie najkomplexnejších moderných experimentov si vyžaduje úsilie nie jednej osoby, ale silného tímu rovnako zmýšľajúcich ľudí. Preto je prílev čerstvých síl pre ústav taký dôležitý...

Plazma je záhadná záležitosť,
vlastniť vlastnosť sebaorganizácie

Plazma je plne alebo čiastočne ionizovaný plyn, v ktorom sa celkový záporný náboj častíc rovná celkovému kladnému náboju. A preto vo všeobecnosti ide o elektricky neutrálne médium, alebo, ako hovoria fyzici, má vlastnosť kvázineutrality. Tento stav hmoty sa považuje za štvrtý (po pevnom, kvapalnom a plynnom) agregovanom stave a je normálnou formou existencie pri teplotách rádovo 10 000 stupňov Celzia a vyšších.

Výskum tohto neobvyklého stavu hmoty v prírode prebieha už viac ako storočie. Od druhej polovice 20. storočia je „všeobecným smerom“ implementácia samoudržiavacej riadenej termonukleárnej fúznej reakcie (CTF). Vysokoteplotné plazmové zrazeniny sú vo vesmíre veľmi rozšírené: stačí spomenúť Slnko a hviezdy. Ale na Zemi je toho veľmi málo. Kozmické častice a slnečný vietor ionizujú hornú vrstvu zemského atmosférického obalu (ionosféru) a výslednú plazmu zadržiava magnetické pole Zeme. Inými slovami, je to druh zemskej magnetickej pasce. V obdobiach zvýšenej slnečnej aktivity tok nabitých častíc zo slnečného vetra deformuje magnetosféru planéty. V dôsledku vývoja hydromagnetických nestabilít plazma preniká do hornej atmosféry v oblasti pólov - a atmosférické plyny, interagujúce s nabitými časticami plazmy, sú excitované a emitované. Tá je zodpovedná za fenomén polárnej žiary, ktorý možno pozorovať len na póloch.

Spolu so „všeobecným smerom“ v štúdiu fyziky plazmy existujú aj iné, nemenej dôležité, aplikované. To viedlo k vzniku mnohých nových technológií: plazmové rezanie, zváranie a povrchová úprava kovov. Plazma môže byť použitá ako pracovná tekutina v motoroch vesmírnych lodí a žiarivkách na osvetlenie. Použitie plazmových technológií spôsobilo skutočnú revolúciu v mikroelektronike. Nielenže sa výrazne zvýšil výkon procesora a zvýšila sa kapacita pamäte, ale výrazne sa znížilo aj množstvo chemikálií používaných pri výrobe – tým sa minimalizovala úroveň poškodzovania životného prostredia.

Hustá vysokoteplotná plazma existuje iba vo hviezdach na Zemi, dá sa získať iba v laboratórnych podmienkach. Tento nezvyčajný stav hmoty udivuje predstavivosť veľkým počtom stupňov voľnosti a zároveň schopnosťou sebaorganizácie a reakcie na vonkajšie vplyvy. Napríklad plazma sa môže držať v magnetickom poli, čo spôsobuje, že nadobúda rôzne tvary. Usiluje sa však akceptovať stav, ktorý je pre ňu energeticky najpriaznivejší, čo často vedie k rozvoju rôznych nestabilít, a ako živý organizmus sa vymaniť z pevnej „klietky“ magnetickej pasce, ak konfigurácia táto pasca jej nevyhovuje. Preto je úlohou fyzikov vytvárať také podmienky, aby plazma bola stabilná, dlho a pokojne „žila“ v pasci a zohriala sa na termonukleárne teploty okolo 10 miliónov stupňov Celzia.

Dnes na BINP úspešne fungujú dva unikátne veľké plazmové lapače, ktoré boli výsledkom praktického uplatnenia originálnych myšlienok a princípov zrodených v stenách ústavu. Ide o pasce otvoreného typu, výrazne odlišné od populárnych uzavretých magnetických systémov. Ohromujú tajomnou majestátnosťou a zároveň jednoduchosťou ovládania. Počas celej histórie práce v zariadeniach boli vedci schopní získať dôležité výsledky o zahrievaní a obmedzovaní hustej horúcej plazmy, ako aj množstvo objavov súvisiacich so základnými vlastnosťami tohto štvrtého skupenstva hmoty. Každý rok predstavoval niečo nové a neobvyklé v tých či oných podmienkach života v pasciach pri zmene konfigurácie magnetického poľa, pri vytváraní elektrických polí, pri pridávaní rôznych nečistôt, ako aj pri vstrekovaní silných lúčov do plazmy a „sondovaní“ plazmy. s rôznymi diagnostikami. A plazma, „reagujúca“ na takéto akcie, aj keď neochotne, zdieľala s výskumníkmi svoje najhlbšie tajomstvá...

Plynová dynamická pasca (GDT)

Inštalácia GDL, vytvorená v Novosibirskom inštitúte jadrovej fyziky v roku 1986, patrí do triedy otvorených pascí a slúži na zadržiavanie plazmy v magnetickom poli.

Konfigurácia magnetického poľa v klasickom otvorenom osovo symetrickom pasci je predĺžená oblasť rovnomerného magnetického poľa s maximami na okrajoch, ktoré sú dosiahnuté pomocou prstencových cievok silného magnetického poľa. Oblasti pod týmito cievkami (tie oblasti priestoru, ktoré zaberá magnetické pole, v ktorých dosahuje svoju maximálnu hodnotu) sa zvyčajne nazývajú „magnetické zátky“ a pasca usporiadaná podľa tohto princípu sa nazýva „zrkadlová bunka“. V najjednoduchšom prípade je magnetické pole v zrkadlovej bunke vytvorené iba magnetickými zrkadlami.

Nabité častice plazmy (záporné elektróny a kladné ióny) sa pohybujú pozdĺž magnetických siločiar medzi magnetickými zrkadlami, odrážajú sa od nich a vykonávajú tak oscilačné pohyby. Častice s kinetickou energiou dostatočnou na prekonanie potenciálnej bariéry zátky opustia pascu jedným letom.

Rozdiely medzi plynovo-dynamickým lapačom (GDT) a konvenčným zrkadlovým článkom opísaným vyššie sú veľký rozsah homogénneho úseku poľa v strede lapača a veľmi veľký „zrkadlový pomer“ (pomer R = B 1 /B 2 hodnoty magnetického poľa v zrkadle a v strede pasce). V tejto konfigurácii je stredná voľná dráha iónov malá v porovnaní s dĺžkou úseku rovnomerného magnetického poľa, takže výstup plazmy zo zariadenia nastáva podľa zákonov dynamiky plynu, podobne ako výstup plynu do vákuum z nádoby s malým otvorom, čo vysvetľuje názov inštalácie. Tým, že sú „diery“ v magnetických zrkadlách veľmi malé a objem, ktorý zaberá plazma, je veľký, je možné získať čas zadržania plazmy dostatočný na uskutočnenie riadenej termonukleárnej reakcie. Je pravda, že dĺžka takéhoto zrkadlového reaktora bude niekoľko kilometrov. Avšak použitie rôznych zariadení, takzvaných ambipolárnych zátok, ktoré znižujú tok plazmy do zátok, zníži dĺžku lapača na rozumné hranice. Reaktorové vyhliadky takejto pasce preto zostávajú atraktívne. Najsľubnejšou termonukleárnou aplikáciou schémy zadržiavania plazmy je vytvorenie jednoduchého a spoľahlivého zdroja rýchlych neutrónov s energiou 14 MeV na báze GDT, ktoré sa rodia pri fúznej reakcii jadier deutéria a trícia. V skutočnosti ide o rovnaký termonukleárny reaktor (len s nízkou účinnosťou), ktorý spotrebúva energiu a produkuje neutróny. Takýto generátor neutrónov možno použiť na uskutočnenie materiálových vedeckých testov prvej steny budúceho priemyselného termonukleárneho reaktora alebo na napájanie štiepneho reaktora nízkoenergetickými neutrónmi, čo robí modernú jadrovú energiu bezpečnou. Projekt neutrónového zdroja na báze plynovo-dynamickej pasce sa na Ústave jadrovej fyziky vyvíjal dlhé roky. Za účelom praktického otestovania predpovedí teórie a akumulácie databázy pre vytvorenie zdroja neutrónov bol na Ústave jadrovej fyziky SB RAS vytvorený experimentálny model plynovo-dynamickej pasce - inštalácie GDL.

V súčasnosti medzinárodná vedecká komunita, zaoberajúca sa riešením problému CTS, začala s výstavbou najväčšej plazmovej pasce typu tokamak s názvom ITER. V nadchádzajúcich desaťročiach by mal ITER preukázať možnosť prevádzky autonómnej kontrolovanej termonukleárnej elektrárne založenej na fúznej reakcii deutéria a trícia.
Je však zrejmé, že pre ďalší rozvoj termonukleárnej energetiky budúcnosti a výstavbu takých staníc, ktoré budú fungovať desaťročia a dokonca storočia, je dnes potrebné vyberať spoľahlivé materiály, ktoré odolajú silným neutrónovým tokom počas celej životnosti. . Na testovanie takýchto materiálov je potrebný výkonný zdroj neutrónov. BINP už mnoho rokov vyvíja projekt pre takýto zdroj založený na GDL.
Všetky fyzikálne princípy, ktoré sú základom kompaktného a relatívne lacného neutrónového zdroja založeného na otvorenom plynovo-dynamickom pasci, sa v súčasnosti študujú v reálnom experimente na akumulácii, zadržiavaní a zahrievaní plazmy v inštalácii GDT. Už dnes sa uskutočňujú priame merania toku emitovaných neutrónov v experimentoch s injekciou deutéria. Fúzna reakcia deutérium-deutérium za daných experimentálnych parametrov vytvára vo všeobecnosti malý tok v porovnaní s reakciou deutérium-trícium. Ale na kontrolu modelových výpočtov, ktoré sa plánujú v budúcnosti použiť na výpočty zdrojového reaktora, úplne postačujú. Tento december zariadenie oslávi 22 rokov: prvá plazma bola získaná koncom roku 1985. Tí, ktorí ju postavili a spustili, pracujú v laboratóriu dodnes.
Ale tím bol tiež doplnený o nových, mladých a energických zamestnancov: niektorí z nich sú v rovnakom veku ako samotná inštalácia GDL

Hlavnou časťou inštalácie je osovo symetrický zrkadlový článok s dĺžkou 7 m, s poľom 0,3 T v strede a do 10 T v zástrčkách, navrhnutý tak, aby obsahoval dvojzložkovú plazmu.

Jedna zo zložiek – teplá „cieľová“ plazma – má elektrónovú a iónovú teplotu až 100 eV (to je približne 1 200 000 stupňov Celzia) a hustotu ~ 5 10 19 častíc na meter kubický. Tento komponent je charakterizovaný vyššie opísaným plyno-dynamickým režimom zadržiavania. Druhou zložkou sú rýchle ióny s priemernou energiou ~ 10 000 eV a hustotou až 2 10 19 častíc na meter kubický. Vznikajú v dôsledku ionizácie silných zväzkov atómov v cieľovej plazme, ktoré sa šikmo vstrekujú do pasce pomocou špeciálnych zariadení - injektorov neutrálnych atómov. Táto rýchla zložka sa vyznačuje rovnakým režimom zadržania ako v klasickej zrkadlovej bunke: rýchle ióny sa pohybujú po magnetických dráhach pozdĺž magnetických siločiar a odrážajú sa od oblasti silného magnetického poľa. V tomto prípade sa rýchle ióny pri interakcii s časticami cieľovej plazmy (hlavne elektróny) spomaľujú a zahrievajú na 100 eV a vyššie. Pri šikmom vstrekovaní a malom uhlovom rozptyle častíc sa hustota rýchlych iónov ukazuje ako silne špičková (veľká) v blízkosti reflexnej oblasti a táto okolnosť je najatraktívnejšia pre implementáciu zdroja neutrónov. Faktom je, že tok neutrónov pri fúznej reakcii je úmerný druhej mocnine hustoty iónov deutéria a trícia. A preto sa s takýmto výberom hustoty sústredí iba v oblasti zastavenia, kde sa bude nachádzať „testovacia zóna“. Vo zvyšku inštalačného priestoru bude oveľa nižšia neutrónová záťaž, čo eliminuje potrebu drahej neutrónovej ochrany všetkých komponentov generátora.

Dôležitým problémom na ceste k vytvoreniu reaktora a zdroja neutrónov na báze osovo symetrického zrkadlového článku je stabilizácia plazmy cez magnetické pole. V schéme GDT je ​​to dosiahnuté vďaka špeciálnym prídavným sekciám s profilom magnetického poľa priaznivým pre stabilitu, ktoré sú umiestnené za magnetickými zátkami a zabezpečujú spoľahlivú stabilizáciu plazmy.

Ďalším dôležitým problémom riadenej termonukleárnej fúzie (CTF) na báze otvorených lapačov je tepelná izolácia plazmy od koncovej steny. Faktom je, že na rozdiel od uzavretých systémov, ako je tokamak alebo stelarátor, plazma vyteká z otvorenej pasce a vstupuje do plazmových prijímačov. V tomto prípade môžu studené elektróny emitované pôsobením toku z povrchu plazmového prijímača preniknúť späť do lapača a výrazne ochladiť plazmu. V experimentoch skúmajúcich pozdĺžne zadržiavanie v inštalácii GDL bolo možné preukázať, že expandujúce magnetické pole za zástrčkou pred plazmovým prijímačom v koncových nádržiach - expandéroch - zabraňuje prenikaniu studených elektrónov do lapača a poskytuje účinnú tepelnú izoláciu od koncovej steny.

V rámci experimentálneho programu GDL prebiehajú priebežné práce súvisiace so zvyšovaním stability, cieľovej teploty a hustoty rýchlych častíc plazmy; so štúdiom jeho správania pri rôznych prevádzkových podmienkach zariadenia atď. Uskutočňuje sa aj štúdium základných vlastností. Je potrebné zdôrazniť, že rozsah vedeckých záujmov a výskumu súvisiaceho s plazmou je veľmi široký.

Inštalácia GDL je vybavená najmodernejšími diagnostickými nástrojmi. Väčšina z nich bola vyvinutá v našom laboratóriu a okrem iného sa zmluvne dodáva do iných plazmových laboratórií, vrátane zahraničných.

Tím vedcov, inžinierov a technikov, ktorí vykonávajú výskum v zariadení GDT, je malý, ale neuveriteľne schopný. Vysoká úroveň kvalifikácie všetkých jej členov im pomáha dosahovať vysoké výsledky. Okrem toho sa vedecká pracovná sila neustále dopĺňa „mladou krvou“ - absolventmi Štátnej univerzity v Novosibirsku a Štátnej technickej univerzity v Novosibirsku. Študenti rôznych kurzov, ktorí absolvujú praktický výcvik v laboratóriu, sa od prvých dní aktívne zúčastňujú experimentov, čím priamo prispievajú k vytváraniu nových poznatkov. Po prvom kurze zostávajú na praktickom výcviku v laboratóriu, úspešne obhajujú svoje diplomy, nastupujú na postgraduálne štúdium a pripravujú kandidátske dizertačné práce. Nebudeme tajiť, že to nás, vedeckých lídrov, nesmierne teší.

Ďalšia pasca - "GOL-3" - a trochu iný uhol termonukleárnej fúzie

Ľudstvo zažíva nedostatok elektriny av blízkej budúcnosti sa tento problém stane prioritou: zásoby paliva - ropy a plynu - používané v hlavných moderných elektrárňach, bohužiaľ, sa vyčerpávajú. Preto by sa termonukleárne reaktory mali stať základom elektroenergetiky budúcnosti.

Termonukleárne reakcie sú reakcie fúzie ľahkých jadier, ako sú izotopy vodíka deutérium a trícium, pri ktorých sa uvoľňuje veľké množstvo energie. Na uskutočnenie týchto reakcií sú potrebné vysoké teploty – viac ako 10 miliónov stupňov Celzia. Je známe, že každá látka pri teplote vyššej ako 10 tisíc stupňov Celzia sa stáva plazmou. Kontakt s pevným telesom vedie k okamžitému ochladeniu a explozívnej deštrukcii povrchu pevného telesa, takže plazma musí byť izolovaná od štruktúry: na tento účel je umiestnená v magnetickom poli.

Zahriať látku na obrovské teploty a dlhodobo ju udržať v magnetickom poli je mimoriadne náročné – a preto mnohí odborníci považujú riadenú termonukleárnu fúziu (CTF) za najťažšiu úlohu, aká kedy ľudstvo stálo.

Inštalácia GOL-3 v Ústave jadrovej fyziky SB RAS je navrhnutá tak, aby ohrievala a uchovávala termonukleárnu plazmu vo viaczrkadlovom magnetickom poli. Inštalácia pozostáva z troch hlavných častí: urýchľovač U-2, 12-metrový solenoid (jednotka na vytváranie silného magnetického poľa) a výstupná jednotka.

Elektrónový lúč použitý v inštalácii je vytvorený najvýkonnejším urýchľovačom na svete (vo svojej triede) U-2. V nej sú elektróny ťahané elektrickým poľom z výbušnej emisnej katódy a urýchľované napätím asi 1 milión voltov. Pri prúde 50 000 ampérov dosahuje výkon systému 50 GW. (Ale celý Novosibirsk počas dňa spotrebuje 20-krát menej energie.) Pri trvaní lúča asi 8 mikrosekúnd obsahuje až 200 000 J energie (čo zodpovedá výbuchu ručného granátu).

V hlavnom solenoide, keď lúč prechádza deutériovou plazmou s hustotou n = 10 20 -10 22 častíc na meter kubický, v dôsledku rozvoja dvojprúdovej nestability vzniká veľká úroveň mikroturbulencie a lúč sa stráca. na 40 % svojej energie, pričom ju prenesie na plazmové elektróny. Rýchlosť ohrevu je veľmi vysoká: za 3 až 4 mikrosekundy sa plazmové elektróny zahrejú na teplotu približne 2 000 až 4 000 eV (23 až 46 miliónov stupňov Celzia: 1 eV = 11 600 stupňov Celzia) - to je svetový rekord pre otvorené pasce (pre porovnanie: na inštalácii 2XIIB v USA teplota neprekročila 300 eV oproti 2 000-4 000 eV pri GOL-3).

Magnetické pole v hlavnom solenoide je viaczrkadlové (55 zrkadlových buniek), t.j. striedajú sa maximá (5 T) a minimá (3 T) poľa a vzdialenosť medzi maximami (22 cm) je rádovo dĺžka dráhy iónov. K čomu to vedie: ak ión opustí jednu zrkadlovú bunku a preletí pozdĺž magnetického poľa, potom sa v susednej zrkadlovej bunke zrazí s inou časticou, v dôsledku čoho môže byť zachytený susednou zrkadlovou bunkou a potom „zabudne“, kde letel. Expanzia plazmy z pasce sa teda výrazne spomalí. Ale čas zadržania horúcej plazmy na GOL-3 je až 1 milisekunda, čo možno považovať za nepochybný úspech vedcov.

Viacnásobné zrkadlá vedú k nehomogenite prenosu energie z lúča do plazmových elektrónov: tam, kde je silnejšie magnetické pole, je silnejšie zahrievanie elektrónov. Pri zahrievaní lúčom prispieva vysoká úroveň turbulencie k silnému (viac ako tisícnásobnému) potlačeniu elektronickej tepelnej vodivosti, takže teplotné nehomogenity sa nevyrovnajú a následne vznikajú veľké rozdiely v tlaku plazmy: z tohto dôvodu plazma sa začne pohybovať ako celok. Z oblastí vysokého tlaku do tlakových minim na oboch stranách sa začnú pohybovať dva protiprúdy plazmy, ktoré sa zrazia a zohrejú na teplotu 1-2 keV (je o niečo vyššia ako v strede Slnka). Tento mechanizmus rýchleho zahrievania bol objavený na GOL-3 pred štyrmi rokmi počas experimentov. Z teórie vyplynulo, že by to malo byť sprevádzané prudkými skokmi v hustote plazmy, ktoré boli čoskoro objavené Thomsonovým rozptylom laserového lúča.

Po prejdení hlavného solenoidu vstupuje lúč do výstupného uzla, ktorý je schopný prijímať silný lúč elektrónov, ako aj prúd plazmy, bez toho, aby bol zničený. Na to musí byť magnetické pole vo výstupnom uzle divergentné, čo zníži hustotu energie v lúči 50-krát a prijímač lúča musí byť grafitový. Zvláštnosťou grafitu je po prvé, že nemá kvapalnú fázu, okamžite sa odparuje; po druhé, má nízku hustotu (2 g/cm 3 ), vďaka čomu je v ňom dosah elektrónov vyšší ako v kovoch, a preto sa energia uvoľňuje vo väčšom objeme a neprekračuje prah výbušného zničenia. grafitu, a preto je erózia grafitu malá – asi 1 mikrón na jeden výstrel. Prítomnosť silného prúdu plazmy na výstupe zo zariadenia umožňuje vykonávať experimenty s ožarovaním materiálov pre termonukleárne reaktory budúcnosti: tieto reaktory budú vystavené takej vysokej úrovni tepelného zaťaženia, čo je stále nereálne. dosiahnuť v iných plazmových zariadeniach dnes.

Ďalšou dôležitou úlohou, ktorú je možné vyriešiť pomocou výstupného uzla, je zaistenie bezpečnosti transportu lúča cez hlavný solenoid. Zložitosť problému spočíva v tom, že prúd lúča v solenoide (30 kA) je väčší ako prah stability (pre kameru GOL-3 - 12 kA), takže lúč je nestabilný a môže byť vrhnutý na stenu. alebo vnútrokomorových štruktúr, čo povedie k ich zničeniu. Na tento účel musí pred vstreknutím lúča do výstupného uzla zasiahnuť výboj (blesk) a potom sa hlavný solenoid naplní relatívne chladnou (niekoľko eV) predbežnou plazmou, v ktorej sa po vstreknutí elektrónového lúča sa indukuje protiprúd, ktorý úplne kompenzuje prúd lúča, čo vo všeobecnosti zabezpečí stabilitu systému (celkový prúd nepresiahne 3 kA).

Jedným z najvážnejších problémov CTS je stabilita plazmy, t.j. vytváranie podmienok, za ktorých by plazma nemohla opustiť pascu cez magnetické pole v dôsledku vývoja rôznych nestabilít plazmy. Pre otvorené pasce je najnebezpečnejšia nestabilita drážky. Jeho podstatou je, že plazma roztláča magnetické siločiary a vykĺzne medzi nimi. V plazme GOL-3 je táto nestabilita potlačená v dôsledku posunu magnetických siločiar pri rôznych polomeroch plazmy, ktorý vzniká zložitou konfiguráciou prúdov v plazme. Prúd lúča preteká stredom plazmy a je tu tiež vysoká úroveň turbulencie. Spätný prúd preteká plazmou, ale v dôsledku turbulencie v strede sa jeho odpor zvyšuje - a spätný prúd tečie po povrchu plazmového kábla. Priamy prúd vytvára okolo seba kruhové magnetické pole, ktoré spolu s pozdĺžnym poľom solenoidu dáva špirálové magnetické pole. Pri rôznych polomeroch je prúd rôzny (a tečie rôznymi smermi) - preto je aj stúpanie a smer špirály rôzne. To je dôvod, prečo keď plazmová drážka odtláča siločiary magnetického poľa od seba na jednom polomere, narazí na siločiary pod iným uhlom a nemôže ich od seba posunúť - takto sa potláča nestabilita drážky.

Zložitou úlohou je aj diagnostika horúcej plazmy, t.j. určenie jej teploty, zloženia, hustoty, intenzity magnetického poľa a mnohé ďalšie. Nemôžete tam vložiť teplomer - môže explodovať - ​​a plazma sa ochladí. Je potrebné použiť rôzne špeciálne metódy, ktoré sa delia na pasívne a aktívne. Pomocou pasívnej diagnostiky môžete študovať, čo plazma vyžaruje. Pomocou aktívnych vstreknite do plazmy napríklad laserové svetlo alebo zväzky atómov a uvidíte, čo z nej vyjde.

V rámci pasívnej diagnostiky prevádzkuje inštalácia GOL-3 fotónové detektory a spektrometre vo viditeľnej, ultrafialovej, röntgenovej a gama oblasti, neutrónové detektory, neutrálny detektor výmeny náboja, diamagnetické sondy a Rogowského pásy. Medzi aktívne patrí niekoľko laserových systémov, injektor atómového lúča a injektor pevných zŕn.

Tokamaky sú síce teraz parametrami reaktora najbližšie (majú vyššiu teplotu a čas uzavretia), no vďaka GOL-3 sa uvažuje aj o multizrkadlových lapačoch ako o variante fúzneho reaktora. Hustota plazmy v GOL-3 je v priemere takmer stokrát vyššia ako v tokamakoch, navyše na rozdiel od tokamakov nie sú v tejto inštalácii žiadne obmedzenia tlaku plazmy. Ak je tlak porovnateľný s tlakom magnetického poľa (5 T vytvára tlak ~ 100 atmosfér), pasca prejde do režimu „steny“ - magnetické pole je vytlačené z plazmy (pretože plazma je diamagnetické) sa budú koncentrovať a zväčšovať v blízkosti stien komory a budú stále schopné zadržať plazmu. V súčasnosti neexistuje jediný dôvod, ktorý by zásadným spôsobom obmedzoval rast hlavných termonukleárnych parametrov (n, T a doba uzavretia) v multizrkadlových lapačoch.

Hlavnou úlohou, ktorej dnes čelí tím inštalácie GOL-3, je vývoj konceptu viaczrkadlového termonukleárneho reaktora, ako aj experimentálne overenie hlavných ustanovení tohto konceptu.

Nie len chlebom... Ale aj chlebom

Výskum plazmy sa nedá vykonávať bez diagnostiky, a preto sa vývoj BINP dá ľahko kúpiť. Ústav uzatvára zmluvy na dodávku určitých diagnostických nástrojov a výskumní pracovníci sa zaoberajú vývojom a montážou týchto nástrojov vo vlastných dielňach. Ide najmä o diagnostické vstrekovače, ale existujú aj optické zariadenia, interferometre atď. Vec nestojí na mieste: BINP vie aj zarobiť.

Literatúra

1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemišev, V. Burmasov vôbec. Ohrev a zadržiavanie plazmy v multizrkadlovom pasci GOL-3 // Transactions of Fusion Science and Technology. - 2007. - Zv. 51. - Nie. 2T. - Pp. 106-111.

2. A. V. Aržannikov, V. T. Astrelin, A. V. Burdakov, I. A. Ivanov, V. S. Koidan, S. A. Kuznecov, K. I. Mekler, S. V. Polosatkin, V. V. Postupajev, A. F. Rovenskikh, S. L. Sinitskij, A. Sulitskij, Yu.. Štúdium mechanizmu rýchleho ohrevu iónov v multizrkadlovej pasci GOL-3 // Fyzika plazmy. - 2005. - T. 31. - č. 6. - S. 506-520.

Od začiatku práce na riadenej termonukleárnej fúzii vo svete uplynulo viac ako pol storočia. Riešenie tohto problému by malo poskytnúť ľudstvu takmer neobmedzený zdroj energie.

Spočiatku sa zdalo, že problém mierového využitia fúzie ľahkých jadier na výrobu energie sa dá vyriešiť pomerne rýchlo, najmä preto, že nablízku bol príklad, keď od prvého testu atómovej bomby po jej vytvorenie neuplynuli ani štyri roky. prvej jadrovej elektrárne v Sovietskom zväze. No s riadenou termonukleárnou fúziou sa všetko ukázalo oveľa komplikovanejšie a cesta k jej realizácii bola oveľa dlhšia, ako sa spočiatku zdalo.

Na vyriešenie tohto problému bolo potrebné vytvoriť vysokoteplotnú hustú plazmu, udržať ju na dlhú dobu a využiť energiu jadrových reakcií, ktoré sa v nej vyskytujú. Navrhlo sa použiť silné magnetické pole na obmedzenie plazmy. Už pri prvých experimentoch sa však zistilo, že plazma v magnetickom poli sa správa nepredvídateľne a rýchlo sa z pasce stratí. Trvalo veľa času, kým sme pochopili najzložitejšie procesy vyskytujúce sa v plazme a postúpili smerom k vytvoreniu termonukleárneho reaktora.

Multizrkadlový lapač GOL-3 - príprava na Experiment je v plnom prúde.

Doposiaľ sa pri pokusoch na toroidných (donutových - pozn. red.) inštaláciách typu tokamak dosiahol výrazný pokrok v parametroch horúcej plazmy, čo umožnilo prejsť priamo k úlohe výstavby zariadenia ITER, v r. ktoré termonukleárne spaľovanie plazmy sa bude dlhodobo udržiavať na úrovni výkonu 500 MW . Projekt ITER má, samozrejme, obrovský význam pre celé ľudstvo. Jeho rozsah je taký veľký, že jeho realizácia bola možná len na základe širokej medzinárodnej spolupráce.

Zároveň ani úspešná demonštrácia spaľovania termonukleárnej plazmy na ITER vôbec neznamená, že budúce termonukleárne reaktory budú postavené na báze tokamakov. Paralelne sa v štúdiách fyziky vysokoteplotnej plazmy navrhlo použiť na jej zadržanie otvorené pasce s magnetickými zrkadlami, topologicky odlišné od tokamakov. Tieto pasce majú v porovnaní s tokamakmi množstvo zásadných výhod. Sú najmä dizajnovo jednoduchšie, čo môže byť v budúcnosti významným argumentom v prospech ich využitia ako fúzneho reaktora. Zostáva však v praxi preukázať, že v týchto lapačoch je možné dosiahnuť vysoké parametre plazmy, ktoré sú stále výrazne nižšie, ako sa požaduje. Výrazný pokrok v tomto smere bol v posledných rokoch dosiahnutý využitím moderných zariadení tohto typu so zlepšeným zadržiavaním plazmy v Ústave jadrovej fyziky SB RAS, ktorý bol a zostáva jedným zo svetových lídrov v tejto oblasti výskumu.

Ovládací panel GOL-3.

Jednou z takýchto inštalácií je multizrkadlový lapač GOL-3, kde sa robia experimenty s hustou (až 1023 m -3) plazmou. Touto inštaláciou sa dosiahlo množstvo jedinečných výsledkov. Najmä bol objavený efekt potlačenia pozdĺžnej elektrónovej tepelnej vodivosti o tri rády v dôsledku rozvoja mikroturbulencie v plazme pri prechode relativistického elektrónového lúča, čo umožnilo získať elektrónovú teplotu 4 keV v r. pasca. V multizrkadlovej magnetickej konfigurácii bol objavený a vysvetlený efekt rýchleho ohrevu iónov na teplotu 2 keV pri hustote plazmy 1021 m -3. Dosiahnuté parametre umožňujú simulovať fyzikálne procesy v multizrkadlovom termonukleárnom reaktore. Okrem toho inštalácia umožňuje študovať účinky interakcie elektrónovo horúcej plazmy s povrchom v tokamakoch s termonukleárnou plazmou.

Plynodynamický lapač GDL - prototyp silný zdroj neutrónov.

Ústav navrhol a rýchlo zaviedol ďalšiu schému moderných otvorených lapačov – takzvaný plynovo-dynamický plazmový lapač (GPL). Dĺžka GDT a veľkosť magnetického poľa v strede a na koncoch sú zvolené tak, aby efektívna stredná voľná dráha iónov bola menšia ako dĺžka inštalácie. Za takýchto podmienok sa životnosť plazmy určuje rovnakým spôsobom, ako sa to robí pri výpočte strát bežného plynu cez otvor v nádobe, s ktorým je spojený názov zariadenia. Životnosť plazmy v GDT je ​​necitlivá na možnosť excitácie mikrofluktuácií v nej, a preto je predikcia experimentálnych výsledkov a jej extrapolácia na podmienky reaktora spoľahlivá. Ďalšou výhodou GDL je schopnosť zabezpečiť hydrodynamickú stabilitu plazmy v rámci osovo symetrickej konfigurácie. Tieto teoretické závery už boli experimentálne potvrdené. Plynovo-dynamický lapač má perspektívu ako z čisto reaktorového hľadiska, tak aj ako základ pre vytvorenie zdroja termonukleárnych neutrónov pre materiálové vedy.

Mladí zamestnanci skupiny GDL.

V inštalácii GDL umožňuje vstrekovanie atómových lúčov deutéria s celkovým výkonom asi 4 MW zvýšiť tlak plazmy v pasci takmer na polovicu tlaku obmedzujúceho magnetického poľa. Neutrónové žiarenie pozorované v tomto prípade sa sústreďuje hlavne v bodoch zastavenia rýchlych deuterónov vstrekovaných do pasce pod uhlom 45 stupňov. Pracuje sa na ďalšom zvýšení výkonu a trvania vstrekovania, aby sa v experimente reprodukovali podmienky, ktoré budú existovať v deutériovo-tríciovej plazme zdroja neutrónov s hustotou toku 14 MeV neutrónov 0,5 MW/m2. Ďalšie zvýšenie vstrekovania by malo zvýšiť hustotu toku neutrónov na 2 MW/m 2, čo je potrebné na testovanie materiálov budúceho termonukleárneho reaktora tokamaku pri maximálnom zaťažení.

Foto V. Novikov

A. Ivanov, doktor fyzikálnych a matematických vied, BINP