Научные программы организаций
Гранты РНФ на реализацию комплексных научных программ организаций

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

Ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, вместе со своими российскими и зарубежными коллегами работают над созданием первого в мире термоядерного реактора ИТЭР, который станет важнейшим шагом к термоядерной энергетике будущего. Основной элемент ИТЭР – токамак, замкнутая магнитная установка для удержания плазмы. Сегодня в ИЯФ разрабатывается новый формат альтернативного варианта магнитных ловушек – установок открытого типа. Новая винтовая ловушка СМОЛА по показателям удержания плазмы теоретически должна не уступать топовым токамакам. Эксперименты, которые должны подтвердить расчеты ученых, начнутся в конце 2017 г. Работа поддержана грантом РНФ.

Ученые серьезно задумались об управляемом термоядерном синтезе после испытания первой водородной бомбы, и первой задачей было «приручить» высокотемпературную плазму. Другими словами, добиться определенных параметров температуры, плотности и времени ее удержания.

Если на Солнце плазму удерживает гравитационное поле, то на Земле решили работать с магнитным: советские физики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в 1950 г. выдвинули идею создания термоядерного реактора на основе принципа магнитного удержания и предложили концепцию замкнутой магнитной ловушки. Так появился токамак – тороидальная камера с магнитными катушками, или, по-простому, «бублик» с током. Работы по созданию токамаков возглавил Л.А. Арцимович, руководитель советской программы по управляемому термоядерному синтезу с 1951 г.

Конфигураций «закрытых» ловушек было разработано несколько, но именно на токамаке Т-3 в московском Курчатовском институте были получены первые, ошеломительные для того времени результаты – плазма с температурой свыше 10 млн градусов по Цельсию. Эти результаты были доложены в Новосибирске на Международной конференции по управляемому термоядерному синтезу в 1968 г., а токамаки с тех пор стали основой мировой термоядерной программы.

Впрочем, сказать, что «победили» именно токамаки, нельзя, пока не существует промышленных термоядерных станций. Сегодня активно исследуются и запускаются стеллаторы, предложенные еще в 1951 г. американцем Л. Спитцером, которые также относятся к замкнутым магнитным ловушкам, а также ловушки открытого типа.

 

Открытые магнитные ловушки для плазмы – это альтернативное решение. В этих простых по геометрии устройствах плазма удерживается в определенном «продольном» объеме, причем для предотвращения ее вытекания по силовым линиям магнитного поля используются разные способы, такие как магнитные «пробки» и специальные расширители. Концепция открытой магнитной ловушки была предложена в 1953 г. независимо двумя учеными – Г. И. Будкером (СССР) и Р. Постом (США). Через шесть лет справедливость этой идеи была подтверждена в эксперименте С. Н. Родионова, сотрудника только что созданного в новосибирском Академгородке Института ядерной физики СО АН СССР. С тех пор ИЯФ является лидером в проектировании, строительстве и экспериментах с ловушками открытого типа.

Конечно, современные установки новосибирских ученых – экспериментальные, т.е. небольшие, импульсные. Но теоретически этот тип открытых ловушек перспективен для использования в промышленном термоядерном реакторе, так как они имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми: более простое инженерное решение, большая эффективность использования энергии магнитного поля, т.е. более высокая экономичность, к тому же многие из этих устройств могут работать в стационарном режиме.

Сегодня группа физиков из плазменных лабораторий ИЯФ работает над свежей идеей: использовать для подавления продольных потерь плазмы из открытой ловушки магнитное поле с винтовой симметрией, позволяющее управлять вращением плазмы. Для проверки этой концепции создается экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая Ловушка).

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

О том, что из себя представляет открытая винтовая ловушка, в чем ее отличие от «прародителей» и каких результатов ждут ученые от будущих экспериментов, рассказал научный сотрудник ИЯФ СО РАН, к.ф.-м.н. Антон Судников.

«Глобальная идея такая – сделать следующий шаг в изучении удержания плазмы, в улучшении конфигурации открытых ловушек. Может показаться, что это шаг в сторону – потому что весь мир сегодня работает с ловушками замкнутой конфигурации. Но это все то же направление – физика плазмы, и мы хотим экспериментально доказать преимущества открытых форм.

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

В открытых ловушках силовые линии магнитного поля не замкнуты, и плазма удерживается посередине. А на концах установок, вдоль силовых линий плазма может вытечь – наша задача уменьшить этот поток.

Для уменьшения потерь ставят магнитные пробки, т.е. резко усиливают силу магнитного поля на концах устройства. В газодинамической ловушке ГДЛ таким способом удается очень сильно сузить «горлышки» бутылки, из которой истекает плазма, но полностью избежать потерь нельзя.

В гофрированной ловушке ГОЛ с каждой стороны стоит не одна магнитная пробка, как в ГДЛ, а несколько в зависимости от конфигурации (например, в уже разобранном ГОЛ-3 было около 50 пробок, а в строящемся ГОЛ-NB – по 14 на каждом конце), благодаря чему плазма не просто течет через гладкую трубу, а как бы трется о гофрировку магнитного поля. Из-за силы трения скорость потока получается ниже сверхзвуковой, а значит, и потерь будет меньше. Так как расстояние между пробками жестко задано, сделать их бесконечно близкими нельзя, но можно увеличить длину этих многопробочных секций, что улучшает параметры удержания плазмы.

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

Чтобы уменьшить истечения плазмы, такие многопробочные секции следует в прямом смысле слова двигать к центру. При этом сама плазма будет «стоять», а вдоль нее «пролетать» магнитные пробки, создавая силу трения и увлекая вещество за собой. Идея двигать пробки возникла одновременно с самой идеей многопробочной ловушки. Но в то время задачу посчитали невыполнимой и нерентабельной, ведь чтобы создать такое бегущее поле, нужна невероятная мощность.

Идея обмануть вещество, создать такую конфигурацию стационарного магнитного поля, чтобы плазме «казалось», что оно движется к центру, возникла в конце 2012 г. Как известно, плазма в открытой ловушке всегда вращается, и есть задачи, когда ее нужно целенаправленно вращать. Вопрос только в том, можно ли это вращение использовать для чего-то еще.

Идея состояла в том, чтобы создать магнитное поле в виде винта. Представьте себе шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. У нас аналогично с двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая нарезка поля, но при этом разная – с правым и левым винтом. С одной стороны, магнитное поле тащит плазму влево, с другой – вправо. Таким образом обе эти концевые секции закачивают плазму обратно. Конечно, полностью избавиться от потерь при этом нельзя – когда поток плазмы слабеет, частицы друг с другом даже не сталкиваются. Но если нам удалось сделать поток таким редким, значит, мы на порядок, а то и на два выиграли по параметрам удержания.

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

Эта концепция позволяет создать установку, которая по своим характеристикам может быть сравнима с нынешними топовыми токамаками. Сложность только в том, что пока эта идея – теоретическая. Но уже осенью 2017 г. мы заканчиваем сборку установки СМОЛА и наступает новый этап – экспериментальный.

Для нашего уникального эксперимента нужно не так уж и много: одной винтовой магнитной пробки, узла, где создается плазма, и ее приемника, а также расширителя, вытягивающего вещество в магнитное поле. Пока мы работаем над созданием источника плазмы со строго определенными характеристиками, чтобы наши теоретические расчеты подтвердились экспериментом.

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

Если удастся доказать, что несмотря на технические сложности, винтовая форма открытой магнитной ловушки дает существенный выигрыш, то в устройства следующего поколения, которых планируется создавать в ИЯФ, будут встраиваться наши винтовые секции. Уже сейчас мы видим тот путь, который хотим пройти, дорожную карту своей работы, как и практические применения нашей технологии.

Винтовые ловушки могут использоваться как нейтронные источники для исследования поведения материалов при контакте с плазмой, создания подкритичных (неспособных самостоятельно поддерживать ядерную реакцию) реакторов, но в первую очередь для строительства «обычных» АЭС. Некоторые конфигурации винтовых ловушек увеличивают скорость потока плазмы до 100 км/сек, что служит необходимым условием для двигателей космических кораблей, транспортирующих спутники с геосинхронной орбиты на, к примеру, орбиту Луны.

Через одно-два поколения открытых ловушек можно будет говорить о создании полноценных реакторов, причем работающих на бестритиевых топливах, например, с использованием реакции синтеза дейтерий-дейтерий. Токамаки же работают с реакцией дейтерий-тритий, из-за чего возникает серьезная проблема радиоактивного потока нейтронов. Поэтому так много внимания в проекте ИТЭР уделяется созданию сверхпрочных материалов и мощной биозащиты. Реакция синтеза двух атомов дейтерия порождает меньше нейтронов, с которыми теряется энергия, и сопровождается меньшей радиоактивностью.

Преимущество термоядерной реакции синтеза дейтерий-тритий в том, что человечество уже получает с ее помощью плазму. Чтобы стала возможна другая, более энергетически выгодная реакция, требуются намного большие температуры, плотность и время удержания плазмы, но таких технологий еще не создано.

В ИЯФ СО РАН готовят «конфетку» СМОЛА

Впрочем, говорить о безнейтронных реакторах как о далеком будущем тоже не стоит. На открытой ловушке с улучшенным удержанием плазмы можно теоретически достичь параметров, необходимых для реакции дейтерий-дейтерий, тогда как экспериментально доказано, что на токамаках для этого есть серьезные ограничения.

Естественно, нашу модель еще нужно проверять, оптимизировать, требуется большая опытно-конструкторская работа. Но уже сейчас ясно, что это начало интересной научной истории, в конце которой нас ожидают результаты, которые могут оказаться очень важными для термоядерной энергетики будущего».

газодинамическая ловушка ГДЛ

** плазменный поток в расширителе

Избранные новости
Недавние новости

Возврат к списку