Учёные Института ядерной физики (ИЯФ) добились устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов Цельсия, сообщил НСН заместитель директора ИЯФ по научной работе Александр Иванов . Учёный рассказал, какие перспективы открывает данная разработка и почему она в принципе исключает появление радиоактивных отходов.

- ИЯФ начал рассматривать варианты создания термоядерной системы на основе открытой ловушки. Что это означает?

Если речь идёт о нагреве плазмы в 10 млн градусов, нужно помнить, что эта температура выше, чем в центре Солнца. Естественно, такую горячую плазму нельзя удерживать в каком-то сосуде с материальными стенками – даже если они будут очень толстыми, они всё равно сгорят. Чтобы этого избежать, то есть удержать горячую плазму, есть по меньшей мере два способа.

Первый - когда плазма помещается в сильное тороидальное магнитное поле, которое меняет траекторию частиц плазмы, после чего они начинают двигаться по кружкам, наматывающимся на силовые линии магнитного поля. При этом поперёк магнитного поля плазма не перемещается, не создавая никакого теплового потока. На этом принципе основаны установки токамак, которые имеют вид «бублика» с магнитным полем внутри, предложенные у нас в стране для магнитного удержания плазмы для проведения управляемого термоядерного синтеза. В гонке идей, как создать Солнце на Земле, сейчас лидируют именно эти установки.

Существует и другая система. Упрощённо говоря, это длинная открытая ловушка труба с продольным магнитным полем, где плазма удерживается от контакта со стенкой, но относительно свободно растекается вдоль и попадает на торцевые стенки. В этих ловушках мы научились делать так, что потери тепла вдоль магнитного поля очень сильно уменьшаются по сравнению со свободным разлётом плазмы.

- Как далеко мы находимся до создания термоядерного реактора?

Есть реакторы, принцип действия которых построен на токамаках, есть – на открытых ловушках, а существуют и, например, импульсные системы, когда лазером поджигают капельку тритий-дейтериевого топлива, и она сгорает за миллионные доли секунды, давая энергию.

Что касается токамаков, через 10 лет во Франции будет запущен большой реактор ИТЭР – циклопическое сооружение большой сложности, где будет продемонстрировано термоядерное горение плазмы. При этом температура там примерно в 10 раз больше, чем на данный момент мы можем получить сейчас на открытых ловушках.

Но, тем не менее, при температуре в 10 млн градусов можно сделать очень полезные вещи – в частности, очень мощный источник нейтронов, который нужен, например, для испытания материалов будущего термоядерного реактора. (То есть стенки токамаков в ходе испытаний будут подвергаться очень мощному потоку нейтронов, и учёные, таким образом, смогут полностью смоделировать ситуацию.) Также нейтронные источники могут использоваться в качестве драйверов для подкритических реакторов деления – они вставляются внутрь системы ядерного реактора, работающего с коэффициентом усиления меньше единицы. Это сильно повышает безопасность работы подкритической системы, что в принципе исключает возможность аварий по типу чернобыльской.

- Каким же прорывом «чревато» ваше достижение?

Сейчас мы российские специалисты-ядерщики достигли такого уровня, при котором можно начинать проектирование прототипов таких мощных источников нейтронов. Если же смотреть с прицелом на более дальнюю перспективу, я не вижу ограничений, чтобы не увеличить температуру нагрева плазмы не до 10 млн, а, скажем, до 300 млн градусов.

Исходя из этого посыла, мы в ИЯФ рассматриваем возможности для создания следующих поколения ловушек, параметры которых будут существенно увеличены. И будем серьёзно думать над созданием альтернативного ИТЭР реактора. Если это все получится, наш термоядерный реактор на основе открытой ловушки возможно будет даже коммерчески гораздо более привлекательным, чем таковой на основе токамаков, и создаваемое во Франции сооружение не может соревноваться с ним по технической простоте.

Сейчас мы достигли такого уровня, при котором можно начинать проектирование прототипов таких мощных источников нейтронов. Если же смотреть с прицелом на более дальнюю перспективу, я не вижу ограничений, чтобы не увеличить температуру нагрева плазмы не до 10 млн, а, скажем, до 300 млн градусов.

Исходя из этого посыла, мы в ИЯФ рассматриваем возможности для создания следующих поколения ловушек, параметры которых будут существенно увеличены. И будем серьёзно думать над созданием альтернативного реактора. Если всё получится, термоядерный реактор на основе открытой ловушки, возможно, будет даже коммерчески более привлекательным, чем таковой на основе токамаков.

- Реакторы на основе открытой ловушки… в чём ещё они предпочтительнее токамаков?

Мы надеемся, что появление реакторов на основе открытой ловушки, над которыми мы сейчас работаем, при определённом развитии будут возможным. Они имеют определенные достоинства по сравнению с токамаками. Не в последнюю очередь я имею в виду возможность работы на термоядерном топливе, которое либо совсем не даёт нейтронов, либо даёт их совсем мало, что не чревато проблемой длительного хранения и захоронения радиоактивных отходов.

Отметим, ИЯФ уже сообщал о планах разработки альтернативного ИТЭР реактора. Окончательно оформить технико-экономические основания для проекта прототипа альтернативного реактора с условным названием ГДМЛ (газодинамическая ловушка) институт планирует в рамках программы Института с финансированием Российского научного фонда, которая рассчитана до 2018 года.

9 августа 2016 года в 10.40 в Институте ядерной физики СО РАН (проспект Академика Лаврентьева, д. 11, Новосибирск) состоится пресс-подход с ключевыми участниками 11-ой международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы . Они расскажут о последних результатах ведущих научных центров, занимающихся исследованиями в этой области. Например, ученые ИЯФ СО РАН разработали перспективный метод генерации плазмы при помощи мощного микроволнового излучения в крупномасштабной магнитной ловушке открытого типа (ГДЛ). Этот метод позволил успешно провести эксперименты по улучшению удержания плазмы с параметрами термоядерного диапазона. Кроме того, на установке ИЯФ СО РАН был исследован разлёт брызг жидкого вольфрама в термоядерных реакторах будущего.

Участники пресс-подхода:

1. Александр Александрович ИВАНОВ , доктор физико-математических наук, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе.

2. Александр Геннадиевич ШАЛАШОВ , доктор физико-математических наук, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

3. Йосуке НАКАШИМА , профессор, Центр плазменных исследований, Университет г. Цукуба, Япония. (Prof. Nakashima Yousuke, Plasma Research Center, University of Tsukuba, Japan)

4. Тхэхёп О , профессор, Национальный институт термоядерных исследований, г.Тэджон, Корея. (Prof. Lho Taihyeop, National Fusion Research Institute, Daejeong, Korea).

Конференция проходит раз в два года поочередно на площадках научных центров России (Новосибирск, ИЯФ СО РАН), Японии и Кореи. Основные направления, которые будут представлены - физика удержания плазмы в открытых ловушках, системы нагрева для открытых ловушек, плазменные диагностики, взаимодействие плазмы с поверхностью.

Существует несколько вариантов, на основе которых в будущем станет возможным построить термоядерный реактор - токамак, стелларатор, открытые ловушки, конфигурация с обращенным полем и другие. Сейчас наиболее развито направление токамаков, но и альтернативные системы обладают рядом достоинств: они проще технически и могут быть более привлекательны экономически как реактор. Возможно, в будущем токамак будет вытеснен или станет сосуществовать с другими типами ловушек. ИЯФ СО РАН занимается альтернативным направлением - открытыми ловушками для удержания плазмы.

Ранее считалось, что такой тип установок можно рассматривать в большей степени как инструмент изучения фундаментальных свойств плазмы, а также в качестве стендов для поддерживающих экспериментов для первого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Однако последние результаты - нагрев плазмы до температуры 10 миллионов градусов на открытой ловушке ГДЛ (ИЯФ СО РАН, Россия) и демонстрация квазистационарного состояния плазмы на установке С-2 (Tri Alphа Energy, США) - показали, что в альтернативных системах можно достичь гораздо более высоких параметров плазмы, чем считалось.

Наиболее крупные открытые ловушки работают в России, Японии, Китае, Южной Корее и США.

Контакты для аккредитации :

Алла Сковородина,
специалист по связям с общественностью ИЯФ СО РАН,
р.т.+7 383 329-47-55, м.т.+7 913 9354687, e-mail:

Краткая справка о типах моделей термоядерного реактора

Токамак (сокращение от «тороидальная камера магнитная»), замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора и предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы. Токамак разработан и создан для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза и создания термоядерного реактора.

Открытые ловушки - разновидность магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль магнитного поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для открытых ловушек характерна линейная геометрия, причём силовые линии магнитного поля пересекают торцевые поверхности плазмы. Открытые ловушки имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми. Они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магнитного поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, многие разновидности открытых ловушек могут работать в стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе открытых ловушек требует экспериментальных доказательств.

По материалам Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН" 1988, т. 154, с.565.

Открытые ловушки

Открытые ловушки — одна из разновидностей установок для магнитного удержания термоядерной плазмы. Открытые ловушки обладают рядом важных преимуществ по отношению к другим системам удержания: они привлекательны с инженерной точки зрения; в них эффективно используется удерживающее плазму магнитное поле; они допускают работу в стационарном режиме; в них относительно просто решается проблема удаления из плазмы продуктов термоядерной реакции и тяжелых примесей. Вместе с тем долгое время считалось, что перспективы открытых ловушек в качестве основы термоядерного реактора сомнительны из-за слишком большой скорости потерь плазмы вдоль силовых линий магнитного поля. Положение изменилось к лучшему только в течение последнего десятилетия, когда был предложен ряд усовершенствований открытых ловушек, позволивших в значительной мере избавить их от этого недостатка. В обзоре излагаются физические принципы новых типов открытых ловушек (амбиполярной, центробежной, многопробочной, газодинамической и др.), рассказывается о современном состоянии исследований на них, делаются прогнозы дальнейших перспектив этих систем. Рассматриваются возможности применения открытых ловушек в качестве высокопоточных генераторов нейтронов с энергией 14 МэВ. Ил. 29. Библиогр. ссылок 97 (102 назв.).

Ловушка для термояда

Институт ядерной физики, как и все институты Сибирского отделения РАН, - сравнительно молодой: в 2008 г. ему исполнится всего лишь 50 лет - столько же, сколько составляет средний возраст его сотрудников. Отрадно видеть, что за последнее время в ИЯФ появилось много аспирантов и студентов, которые планируют продолжать свои научные исследования в его стенах. Известно, что современная молодежь тянется туда, где интересно, где есть перспективы для роста. А в ИЯФ такие перспективы, несомненно, есть. Следует подчеркнуть и тот факт, что проведение сложнейших современных экспериментов требует усилий не одного человека, а мощной команды единомышленников. Вот почему приток свежих сил так важен для института...

Плазма - загадочная материя,
обладающая свойством самоорганизации

Плазма - это полностью или частично ионизованный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. И потому в целом она представляет собой электрически нейтральную среду, или, как говорят физики, обладает свойством квазинейтральности. Это состояние вещества считается четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным и является нормальной формой существования при температуре порядка 10 000 градусов по Цельсию и выше.

Исследования этого необычного состояния вещества в природе проводятся уже более века. Начиная со второй половины 20 столетия «генеральное направление» - осуществление самоподдерживающейся управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС). Высокотемпературные сгустки плазмы во Вселенной распространены очень широко: достаточно назвать Солнце и звезды. А вот на Земле ее совсем мало. Космические частицы и солнечный ветер ионизуют верхний слой атмосферной оболочки Земли (ионосфера), а образовавшаяся плазма удерживается земным магнитным полем. Иными словами - это своего рода земная магнитная ловушка. В период повышенной солнечной активности поток заряженных частиц солнечного ветра деформирует магнитосферу планеты. Вследствие развития гидромагнитных неустойчивостей плазма проникает в верхнюю атмосферу в районе полюсов - и атмосферные газы, взаимодействуя с заряженными частицами плазмы, возбуждаются и высвечиваются. Этим обусловлено явление полярного сияния, которое можно наблюдать только на полюсах.

Наряду с «генеральным направлением» в исследовании физики плазмы, существуют и другие, не менее важные, прикладные. Это привело к появлению многочисленных новых технологий: плазменная резка, сварка и обработка поверхности металлов. В качестве рабочего тела плазма может использоваться в двигателях космических кораблей и люминесцентных лампах для освещения. Применение плазменных технологий вызвало настоящий переворот в микроэлектронике. Не только существенно повысилась производительность процессоров и увеличился объем памяти, но и значительно снизилось количество используемых в производстве химикатов - таким образом, уровень ущерба, наносимого экологии, удалось минимизировать.

Плотная высокотемпературная плазма существует только в звездах, на Земле ее можно получить лишь в лабораторных условиях. Это необычное состояние вещества поражает воображение большим количеством степеней свободы и, вместе с тем, способностью к самоорганизации и отклику на внешнее воздействие. К примеру, плазму можно удерживать в магнитном поле, заставляя принимать различные формы. Однако она стремится принять то состояние, которое для нее наиболее энергетически выгодно, что часто приводит к развитию различных неустойчивостей, и, подобно живому организму, вырваться на свободу из жесткой «клетки» магнитной ловушки, если конфигурация этой ловушки ее не устраивает. Вот почему задача физиков - создать такие условия, чтобы плазма была устойчивой, «жила» в ловушке долго и спокойно, нагревалась до термоядерных температур порядка 10 миллионов градусов по Цельсию.

На сегодняшний день в ИЯФ успешно функционируют две уникальные большие плазменные ловушки, которые явились итогом применения на практике оригинальных идей и принципов, рожденных в стенах института. Это ловушки открытого типа, существенно отличающиеся от популярных замкнутых магнитных систем. Они поражают своей загадочной грандиозностью и в то же время простотой функционирования. За всю историю работы на установках ученым удалось получить важные результаты по нагреву и удержанию плотной горячей плазмы, а также сделать ряд открытий, связанных с фундаментальными свойствами этого четвертого состояния вещества. Каждый год преподносил что-нибудь новое и необычное то в одних, то в других условиях для жизни в ловушках при изменении конфигурации магнитного поля, при создании электрических полей, при добавке различных примесей, а также при инжекции в плазму мощных пучков и при «прощупывании» плазмы различными диагностиками. И плазма, «реагируя» на подобные действия, пусть и неохотно, но делилась с исследователями своими самыми сокровенными тайнами…

Газодинамическая ловушка (ГДЛ)

Установка ГДЛ, созданная в новосибирском Институте ядерной физики в 1986 г., относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле.

Конфигурация магнитного поля в классической открытой аксиально-симметричной ловушке представляет собой вытянутую область однородного магнитного поля с максимумами на краях, которые достигаются при помощи кольцевых катушек сильного магнитного поля. Области под этими катушками (те области пространства, занятого магнитным полем, в которых оно достигает максимального значения) принято называть «магнитными пробками», а ловушку, устроенную по такому принципу, - «пробкотроном». В простейшем случае магнитное поле в пробкотроне создается только магнитными пробками.

Заряженные частицы плазмы (отрицательные электроны и положительные ионы) движутся по силовым линиям магнитного поля между магнитными пробками, отражаясь от них и совершая, таким образом, колебательные движения. Частицы, имеющие кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера пробки, покидают ловушку за один пролет.

Отличиями газодинамической ловушки (ГДЛ) от обычного пробкотрона, описанного выше, являются большая протяженность участка однородного поля в центре ловушки и очень большое «пробочное отношение» (отношение R = B 1 /B 2 значений магнитного поля в пробке и в центре ловушки). В такой конфигурации длина свободного пробега ионов мала по сравнению с длиной участка однородного магнитного поля, поэтому истечение плазмы из установки происходит по законам газовой динамики аналогично истечению газа в вакуум из сосуда с маленьким отверстием, чем и обусловлено название установки. Делая «отверстия» в магнитных пробках очень маленькими, а объем, занимаемый плазмой, большим, можно получить время удержания плазмы, достаточное для осуществления управляемой термоядерной реакции. Правда, вот длина подобного пробкотрона-реактора будет составлять несколько километров. Однако использование различных устройств, так называемых амбиполярных плагов, уменьшающих поток плазмы в пробки, позволит уменьшить длину ловушки до разумных пределов. Поэтому реакторные перспективы такой ловушки остаются по-прежнему привлекательными. Наиболее перспективным термоядерным приложением схемы удержания плазмы является создание на основе ГДЛ простого и надежного источника быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ, которые рождаются в реакции синтеза ядер дейтерия и трития. Фактически это тот же термоядерный реактор (только с малым КПД), потребляющий энергию и вырабатывающий нейтроны. Такой нейтронный генератор можно использовать для проведения материаловедческих испытаний первой стенки будущего промышленного термоядерного реактора или для подпитки слабо энергетическими нейтронами реактора деления, что делает безопасным современную ядерную энергетику. Проект нейтронного источника на основе газодинамической ловушки в течение многих лет разрабатывается в Институте ядерной физики. В целях практической проверки предсказаний теории и накопления базы данных для создания нейтронного источника в Институте ядерной физики СО РАН и была создана экспериментальная модель газодинамической ловушки - установка ГДЛ.

В настоящее время международное научное сообщество, занимающееся решением проблемы УТС, приступило к строительству крупнейшей плазменной ловушки типа токамак под названием «ИТЭР». В ближайшие десятилетия ИТЭР должен продемонстрировать возможность функционирования самоподдерживающейся управляемой термоядерной электростанции на основе реакции синтеза дейтерия и трития.
Однако очевидно, что для дальнейшего развития термоядерной энергетики будущего и строительства таких станций, которые будут работать десятилетиями и даже столетиями, уже сегодня нужно отобрать надежные материалы, способные на протяжении всего срока службы выдерживать сильные нейтронные потоки. Для проведения испытаний таких материалов необходим мощный нейтронный источник. ИЯФ уже в течение многих лет разрабатывает проект такого источника на основе ГДЛ.
Все физические принципы, заложенные в основу компактного и относительно недорогого нейтронного источника на основе открытой газодинамической ловушки, в данное время исследуются в реальном эксперименте по накоплению, удержанию и нагреву плазмы в установке ГДЛ. Уже сегодня проходят прямые измерения излучаемого нейтронного потока в опытах с инжекцией дейтерия. Реакция синтеза дейтерий-дейтерий при данных параметрах эксперимента дает, в общем-то, небольшой поток по сравнению с реакцией дейтерий-тритий. Но для для проверки модельных расчетов, которые в будущем планируется использовать для расчетов реактора-источника, их вполне достаточно. В декабре этого года установке исполняется 22 года: первая плазма была получена в конце 1985 г. Те, кто строил и запускал ее, и сегодня еще работают в лаборатории.
Но команда пополнилась и новыми, молодыми и энергичными, сотрудниками: некоторые из них - ровесники самой установки ГДЛ

Главной частью установки является осесимметричный пробкотрон длиной 7 м, с полем 0,3 Тл в центре и до 10 Тл в пробках, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы.

Одна из компонент - теплая «мишенная» плазма - имеет температуру электронов и ионов до 100 эВ (это примерно 1 200 000 градусов по Цельсию) и плотность ~ 5 10 19 частиц в кубическом метре. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, описанный выше. Другая компонента - это быстрые ионы со средней энергией ~ 10 000 эВ и плотностью до 2 10 19 частиц в кубическом метре. Они образуются в результате ионизации в мишенной плазме мощных пучков атомов, наклонно инжектируемых в ловушку с помощью специальных устройств - инжекторов нейтральных атомов. Для этой быстрой компоненты характерен тот же режим удержания, что и в классическом пробкотроне: быстрые ионы движутся по магнитным орбитам вдоль силовых линий магнитного поля и отражаются от области сильного магнитного поля. При этом быстрые ионы тормозятся при взаимодействии с частицами мишенной плазмы (в основном с электронами) и нагревают ее до 100 эВ и выше. При наклонной инжекции и малом угловом рассеянии частиц плотность быстрых ионов оказывается сильно пикированной (большой) вблизи области отражения, и это обстоятельство является наиболее привлекательным для реализации нейтронного источника. Дело в том, что поток нейтронов в реакции синтеза пропорционален квадрату плотности ионов дейтерия и трития. И потому при подобной пикировке плотности он будет сосредоточен только в области остановки, где и будет размещаться «тест-зона». Остальное же пространство установки будет испытывать гораздо меньшую нейтронную нагрузку, что позволит отказаться от дорогостоящей нейтронной защиты всех узлов генератора.

Важной проблемой на пути к созданию реактора и нейтронного источника на основе аксиально-симметричного пробкотрона является стабилизация плазмы поперек магнитного поля. В схеме ГДЛ она достигается благодаря специальным дополнительным секциям с благоприятным для устойчивости профилем магнитного поля, которые расположены за магнитными пробками и обеспечивают надежную стабилизацию плазмы.

Другой важной проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) на основе открытых ловушек является термоизоляция плазмы от торцевой стенки. Дело в том, что, в отличие от замкнутых систем типа токамак или стелларатор, из открытой ловушки плазма вытекает и попадает на плазмоприемники. При этом холодные электроны, эмитированные под действием потока с поверхности плазмоприемника, могут проникать обратно в ловушку и сильно охлаждать плазму. В опытах по изучению продольного удержания на установке ГДЛ удалось продемонстрировать, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмоприемником в торцевых баках - расширителях - препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и дает эффективную термоизоляцию от торцевой стенки.

В рамках экспериментальной программы ГДЛ ведется постоянная работа, связанная с повышением устойчивости, мишенной температуры и плотности быстрых частиц плазмы; с исследованием ее поведения в различных условиях работы установки и т. д. Ведется также и изучение фундаментальных свойств. Стоит подчеркнуть, что спектр научных интересов и исследований, имеющих отношение к плазме, очень широк.

Установка ГДЛ оснащена самыми современными средствами диагностики. Большинство из них разработано в нашей лаборатории и, ко всему прочему, на контрактной основе поставляется в другие плазменные лаборатории, в том числе и зарубежные.

Команда ученых, инженеров и технических работников, ведущих исследования на установке ГДЛ, небольшая, но невероятно трудоспособная. Высокий уровень квалификации всех ее членов помогает им добиваться и высоких результатов. К тому же, научные кадры постоянно пополняются «молодой кровью» - выпускниками НГУ и НГТУ. Студенты различных курсов, проходя практику в лаборатории, с первых дней принимают активное участие в экспериментах, внося, тем самым, непосредственный вклад в создание новых знаний. Уже после первой курсовой работы они остаются на практику в лаборатории, успешно защищают дипломы, поступают в аспирантуру и готовят кандидатские диссертации. Не скроем, это чрезвычайно радует и нас, научных руководителей.

Другая ловушка - «ГОЛ-3» - и несколько иной угол зрения на термояд

Человечество испытывает недостаток электричества, и в ближайшем будущем эта проблема станет первоочередной: запасы топлива - нефть и газ, - используемого на основных современных электростанциях, увы, истощаются. Вот почему основой электроэнергетики будущего должны стать термоядерные реакторы.

Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, например изотопов водорода дейтерия и трития, с выделением большого количества энергии. Для осуществления этих реакций требуется большая температура - более 10 миллионов градусов Цельсия. Известно, что любое вещество при температуре более 10 тысяч градусов Цельсия становится плазмой. Контакт с твердым телом приводит к мгновенному ее охлаждению и взрывному разрушению поверхности твердого тела, поэтому плазма должна быть изолирована от конструкции: с этой целью ее и помещают в магнитное поле.

Нагреть вещество до огромных температур и в течение длительного времени удерживать в магнитном поле чрезвычайно сложно - и потому многие специалисты считают управляемый термоядерный синтез (УТС) наиболее сложной из когда-либо стоявших перед человечеством задач.

Установка ГОЛ-3 в Институте ядерной физики СО РАН предназначена для нагрева и удержания термоядерной плазмы в многопробочном магнитном поле. Установка состоит из трех основных частей: ускорителя У-2, 12-метрового соленоида (узла для создания сильного магнитного поля) и выходного узла.

Электронный пучок, который используется в установке, создается самым мощным в мире (в своем классе) ускорителем У-2. В нем электроны вытягиваются электрическим полем из взрывоэмиссионного катода и ускоряются напряжением около 1 миллиона Вольт. При токе 50 000 Ампер мощность системы достигает 50 ГВт. (А вот весь Новосибирск в дневное время суток потребляет энергии в 20 раз меньше.) При длительности пучка около 8 микросекунд в нем содержится до 200 000 Дж энергии (что эквивалентно взрыву ручной гранаты).

В основном соленоиде при пролете пучка в дейтериевой плазме с плотностью n = 10 20 -10 22 частиц в кубическом метре вследствие развития двухпотоковой неустойчивости возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40 % своей энергии, передавая ее электронам плазмы. Темп нагрева очень высокий: за 3-4 микросекунды плазменные электроны нагреваются до температуры порядка 2 000-4 000 эВ (23-46 миллиона градусов Цельсия: 1 эВ = 11 600 градусов Цельсия) - это мировой рекорд для открытых ловушек (для сравнения: на установке 2XIIB в США температура не превышала 300 эВ против 2 000-4 000 эВ на ГОЛ-3).

Магнитное поле в основном соленоиде - многопробочное (55 пробкотронов), т. е. максимумы (5 Тл) и минимумы (3 Тл) поля чередуются, причем расстояние между максимумами (22 см) - порядка длины пробега ионов. К чему это приводит: если ион покинет одиночный пробкотрон и полетит вдоль магнитного поля, то в соседнем пробкотроне он столкнется с другой частицей, в результате может быть захвачен соседним пробкотроном, и тогда он «забудет», куда летел. Таким образом, разлет плазмы из ловушки существенно замедляется. А вот время удержания горячей плазмы на ГОЛ-3 составляет до 1 миллисекунды, что можно признать несомненным достижением ученых.

Многопробочность приводит к неоднородности передачи энергии от пучка к электронам плазмы: там, где магнитное поле больше, нагрев электронов сильнее. При нагреве же пучком высокий уровень турбулентности способствует сильному (более чем в тысячу раз) подавлению электронной теплопроводности, поэтому не выравниваются неоднородности температуры, и следовательно, возникают большие перепады давления плазмы: по этой причине плазма начинает двигаться как целое. Из областей высокого давления к минимумам давления с двух сторон начинают двигаться два встречных плазменных потока, которые сталкиваются и прогреваются до температуры 1-2 кэВ (она немного выше, чем в центре Солнца). Данный механизм быстрого нагрева был открыт на ГОЛ-3 четыре года назад в процессе экспериментов. Из теории следовало, что он должен сопровождаться резкими скачками плотности плазмы, которые вскоре были обнаружены методом томсоновского рассеяния луча лазера.

После пролета основного соленоида пучок попадает в выходной узел, который способен принять мощный пучок электронов, а также поток плазмы и при этом не разрушиться. Для этого магнитное поле в выходном узле должно быть расходящимся, что раз в 50 уменьшает плотность энергии в пучке, а приемник пучка - графитовым. Особенность графита, во-первых, в том, что у него нет жидкой фазы, он сразу испаряется; во-вторых, он имеет незначительную плотность (2 г/см 3 ), благодаря чему пробег электронов в нем выше, чем в металлах, а следовательно, энергия выделяется в большем объеме и не превышает порога взрывного разрушения графита, и потому эрозия графита невелика - порядка 1 микрона за выстрел. Наличие на выходе установки мощного плазменного потока позволяет проводить эксперименты по облучению материалов для термоядерных реакторов будущего: эти реакторы будут подвергаться такому высокому уровню тепловых нагрузок, достичь которого на других плазменных установках сегодня пока нереально.

Другая важная задача, которую можно решить с помощью выходного узла, - это обеспечение безопасности транспортировки пучка через основной соленоид. Вся сложность проблемы заключается в том, что ток пучка в соленоиде (30 кА) больше порога устойчивости (для камеры ГОЛ-3 - 12 кА), поэтому пучок неустойчив и может выброситься на стенку или внутрикамерные конструкции, что приведет к их разрушению. С этой целью перед инжекцией пучка в выходном узле нужно пробить разряд (молнию), и тогда основной соленоид заполнится относительно холодной (несколько эВ) предварительной плазмой, в которой при инжекции электронного пучка наводится встречный ток, и он полностью компенсирует ток пучка, что в целом обеспечит системе стабильность (суммарный ток не будет превышать 3 кА).

Одна из самых серьезных проблем УТС - устойчивость плазмы, т. е. создание условий, при которых плазма не могла бы покинуть ловушку поперек магнитного поля из-за развития различных плазменных неустойчивостей. Для открытых ловушек самой опасной является желобковая неустойчивость. Суть ее в том, что плазма раздвигает магнитные силовые линии и между ними проскальзывает наружу. В плазме ГОЛ-3 эта неустойчивость подавлена благодаря сдвигу магнитных силовых линий на разных радиусах плазмы, который возникает по причине сложной конфигурации токов в плазме. В центре плазмы течет ток пучка, там же - высокий уровень турбулентности. Обратный ток течет по плазме, но из-за турбулентности в центре ее сопротивление возрастает - и обратный ток течет по поверхности плазменного шнура. Прямолинейный ток создает вокруг себя круговое магнитное поле, что вместе с продольным полем соленоида дает спиральное магнитное поле. На разных радиусах ток разный (и течет в разные стороны) - поэтому и шаг, и направление спирали тоже разные. Вот почему когда плазменный желобок раздвигает магнитные силовые линии на одном радиусе, то он натыкается на силовые линии под другим углом и не может их раздвинуть - так подавляется желобковая неустойчивость.

Непростой задачей является и диагностирование горячей плазмы, т. е. определение ее температуры, состава, плотности, величины магнитного поля и многого другого. Градусник туда не вставишь - он может взорваться - и плазма остынет. Приходится использовать различные специальные методы, которые делятся на пассивные и активные. С помощью пассивных диагностик можно изучить то, что излучает плазма. С помощью активных - инжектировать в плазму, например, свет лазера или пучки атомов и посмотреть, что из этого выйдет.

Из пассивных диагностик на установке ГОЛ-3 работают детекторы и спектрометры фотонов в видимой, ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областях, детекторы нейтронов, детектор нейтралов перезарядки, диамагнитные зонды и пояса Роговского. Из активных - несколько лазерных систем, инжектор атомарных пучков и инжектор твердотельных крупинок.

Хотя сейчас к реакторным параметрам наиболее близки токамаки (у них выше температура и время удержания), благодаря ГОЛ-3 многопробочные ловушки также рассматриваются в качестве варианта термоядерного реактора. Плотность плазмы в ГОЛ-3 почти в сто раз выше, чем в токамах в среднем, к тому же, в отличие от токамаков, в этой установке нет ограничений по давлению плазмы. Если давление будет сравнимо с давлением магнитного поля (5 Тл создает давление ~100 атмосфер), то ловушка перейдет в режим «стеночного» удержания - вытолкнутое из плазмы магнитное поле (т. к. плазма - диамагнетик) будет концентрироваться и увеличиваться вблизи стенок камеры и все равно сможет удерживать плазму. В настоящее время нет ни одной причины, которая бы принципиально ограничивала рост основных термоядерных параметров (n, T и время удержания) в многопробочных ловушках.

Основная задача, стоящая сегодня перед коллективом установки ГОЛ-3 - это разработка концепции многопробочного термоядерного реактора, а также экспериментальная проверка основных положений этой концепции.

Не хлебом единым… Но и хлебом тоже

Исследование плазмы не может осуществляться без диагностики, и потому разработки ИЯФ охотно покупаются. Институт заключает контракты на поставку некоторых средств диагностики, научные сотрудники занимаются разработкой, сборкой этих средств в собственных цехах. В основном это диагностические инжекторы, но есть также и некоторые оптические приборы, интерферометры и т. д. Дело не стоит на месте: деньги зарабатывать ИЯФ тоже умеет.

Литература

1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov at all. Plasma heating and confinement in GOL-3 multimirror trap // Transactions of Fusion Science and Technology. - 2007. - Vol. 51. - No. 2T. - Pp. 106-111.

2. А. В. Аржанников, В. Т. Астрелин, А. В. Бурдаков, И. А. Иванов, В. С. Койдан, С. А. Кузнецов, К. И. Меклер, С. В. Полосаткин, В. В. Поступаев, А. Ф. Ровенских, С. Л. Синицкий, Ю. С. Суляев, А. А. Шошин. Исследование механизма быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке ГОЛ-3 // Физика плазмы. - 2005. - Т. 31. - № 6. - С. 506-520.

31.08.2016

Пресс-служба РАН уже сообщала ранее об этом событии в новостях 09.08. и 15.08.2016 года. Сейчас публикуются подробности этого эпохального научного достижения.

СИБИРСКИЕ ФИЗИКИ РАЗОГРЕЛИ ПЛАЗМУ ДО 10 МЛН ГРАДУСОВ
В ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКЕ

Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук в экспериментах на газодинамической ловушке добились устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов. Это очень существенный результат для перспектив управляемого термоядерного синтеза. Время удержания плазмы пока составляет миллисекунды.

Ученые начали рассматривать варианты создания термоядерного реактора на основе открытой ловушки.

Ученые намерены достичь приемлемых значений выхода энергии термоядерного синтеза для систем примерно 100 метров длиной. Это очень компактные системы. Термоядерный реактор на основе открытой ловушки, альтернативный ТОКАМАКУ, может быть создан в течение ближайших 20-30 лет.

Академическим ученым из Сибирского отделения РАН удалось создать горячую плазму с помощью электронно-циклотронного нагрева, что позволило отказаться от плазменных пушек и, тем самым, проводить эксперименты в более контролируемых условиях.

С уже достигнутыми параметрами плазмы такая система в частности, может использоваться для исследований в сфере материаловедения, поскольку дает большие потоки нейтронов.

Заместитель директора ИЯФ СО РАН А. Иванов отметил, что уже проведены исследования по взаимодействию плазмы со стенками реактора, получены рекордные значения плотности энергии на единицу площади. «Теперь мы знаем, как происходит эрозия пластин вольфрама», - сказал он.

Ученые считают, что разработанные в Институте прикладной физики Российской академии наук для ИЯФ СО РАН источники излучения - гиротроны будут перспективны для нагрева, что позволит достичь более высоких параметров плазмы.

Ранее в ИЯФ СО РАН заявляли о планах создания прототипа термоядерного реактора. Предполагается, что ИЯФ СО РАН разработает технический проект и технико-экономическое обоснование установки, после чего наступит этап переговоров с потенциальными партнерами из других стран.

Как сообщалось, разработка прототипа термоядерного реактора на основе газодинамической «многопробочной» ловушки ведется в рамках гранта Российского научного фонда. Продолжительность реализации программы - 2014-2018 годы, объем финансирования проекта за счет средств Российского научного фонда - 650 млн рублей.

Ранее ученые ИЯФ СО РАН получили рекордную температуру в 4,5 млн градусов (400 электрон-вольт) в газодинамической ловушке (ГДЛ), которая используется для удержания горячей плазмы в магнитном поле, в 2014 году эту температуру удалось повысить до 9 млн градусов.

НАГРЕВ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ДО 10 МИЛЛИОНОВ ГРАДУСОВ

На установке ГДЛ (рис. 1) была проведена серия успешных эксперимен-тов по электронно-циклотронному резонансному (ЭЦР) нагреву плазмы. Цель эксперимента заключалась в отработке сценария комбинированного нагрева плазмы нейтральными пучками (НИ) мощностью 5 МВт и ЭЦР нагрева мощ-ностью до 0,7 МВт, исследовании физических механизмов наблюдающейся при таком нагреве магнитогидродинамической неустойчивости плазмы и по-иске способов ее подавления.

Система ЭЦР нагрева на установке ГДЛ состоит из двух импульсных ги-ротронов с частотой 54,5 ГГц и измеренной на входе в плазму мощностью 300 и 400 кВт. Каждый из гиротронов запитан от специально разработанных высо-ковольтных источников питания, формирующих прямоугольный импульс вы-соковольтного напряжения амплитудой 70 кВ (при стабильности не хуже 0,5%), током до 25 А, длительностью до 3 мс. Излучение гиротронов подво-дится по отдельным закрытым квазиоптическим линиям и вводится в вакуум-ную камеру в окрестности двух магнитных пробок как показано на рис. 3.

Для создания оптимальных условий для ЭЦР нагрева требуется повыше-ние магнитного поля в отдельных катушках, расположенных вокруг области поглощения. Дополнительный ток, необходимый для реализации эффективно-го поглощения на противоположных концах ловушки, был получен за счет снижения магнитного поля в основном теле ловушки (с 0,35 до 0,27 Т в центре установки). Такое возмущение магнитной конфигурации привело к суще-ственному ухудшению удержания плазмы, в частности без ЭЦР нагрева тем-пература электронов снизилась с 250 эВ до 150 эВ.

В такой магнитной конфигурации было оптимизированы два сценария ЭЦР нагрева. Первый сценарий оптимизировался для повышения времени жизни горячих ионов, получающихся при захвате плазмой нагревных нейтральных пучков. Этот режим характеризовался поглощением излучения гиротронов почти по всему сечению плазмы, что приводило к увеличению температуры электронов во всём объёме плазмы.

Так как время жизни горячих ионов пропорционально температуре элек-тронов в степени 3/2, при ЭЦР нагреве значительно возрастало энергосодер-жание плазмы и поток нейтронов D-D синтеза, получающихся при столкнове-ниях между горячими ионами (рис. 4). Стабильный разряд в этом режиме уда-лось получить при мощности ЭЦР нагрева не превышающей 400 кВт. Элек-тронная температура на оси ГДЛ достигала 200 эВ.

Второй сценарий оптимизировался для получения максимальной элек-тронной температуры. В этом режиме основная часть СВЧ мощности, захва-ченной плазмой, поглощалась в узкой приосевой области. Поэтому при вклю-чении гиротронов за несколько сотен микросекунд формировался разряд с центральной температурой до 1 кэВ (рис. 5). Несмотря на то, что радиальный профиль температуры был сильно пикированным, баланс энергии показал, что удержание плазмы в приосевой зоне происходит в газодинамическом режиме, радиальный транспорт и классическая продольная (спитцеровская) электрон-ная теплопроводность при этом сильно подавлены. Измерения методом том-соновского рассеяния показали, что энергия перераспределяется между тепло-выми электронами, то есть речь идет именно об электронной температуре, а не об энергии, запасенной в «хвосте» энергичных электронов. В ходе этих экспе-риментов на установке ГДЛ была достигнута рекордная для открытых систем электронная температура в квазистационарном (-1 мс) разряде, при этом впервые параметры плазмы приблизились к значениям, сопоставимым с торо-идальными системами.

Это обстоятельство позволило нам сделать вывод о хороших перспекти-вах для термоядерных приложений на базе открытых ловушек. Для сравнения на рис. 6 приведен график, отражающий прогресс увеличения электронной температуры в экспериментах на установке ГДЛ за 25 лет существования установки.

Резкое и значительное увеличение электронной температуры при вклю-чении ЭЦР нагрева приводит к развитию МГД неустойчивости плазмы желоб-кового типа. Для подавления этой неустойчивости в стандартном разряде ГДЛ (без ЭЦР нагрева) используется метод «вихревого удержания». Он заключает-ся в том, что к периферии плазмы прикладывается постоянный электрический потенциал, заставляющий её вращаться в скрещенных электрическом и маг-нитном полях. Для эффективного подавления поперечных потерь при разви-тии желобковой неустойчивости прикладываемый радиальный потенциал должен быть сопоставим с температурой электронов. При сильном увеличе-нии температуры плазмы при ЭЦР нагреве это условие может нарушаться. Для решения этой проблемы был применён метод ступенчатого повышения радиального потенциала, отслеживающий увеличение температуры при вклю-чении ЭЦР нагрева. В результате удалось реализовать относительно устойчивый ЭЦР нагрев плазмы мощностью 700 кВт в течение времени, сопоставимо-го с полной длительностью разряда в установке.

Демонстрация разряда с рекордно высокой электронной температурой стала возможной за счет выработки оптимальных сценариев ЭЦ нагрева плаз-мы необыкновенной волной на первой гармонике в основном объеме ловушки. Этот результат дает надежную основу для создания реакторов ядерного синте-за на базе открытых ловушек, имеющих простейшую с инженерной точки зре-ния осесимметричную конфигурацию магнитного поля. Ближайшим приложе-нием таких реакторов может быть мощный источник нейтронов от реакции синтеза ядер дейтерия и трития, который необходим для решения ряда задач термоядерного материаловедения, а также управления подкритичными ядер-ными реакторами, включая устройства для уничтожения радиоактивных отхо-дов. Дальнейшее развитие этого подхода даст возможность рассматривать со-здание на основе открытых ловушек «чистого» термоядерного реактора, ис-пользующего малонейтронные или безнейтронные реакции синтеза.

Эксперименты на установке ГОЛ-3 по улучшению продольного удержания в отрытой ловушке

Полученные в результате многолетней работы параметры плазмы в уста-новке и появившиеся новые представления позволяют оценивать перспективы данной схемы удержания высокотемпературной плазмы гораздо более опти-мистично, чем это было до начала работ на ГОЛ-3 (рис. 2). Главным выводом является то, что основные процессы происходят на фоне достаточно высокого уровня турбулентности плазмы. Обнаружен новый тип неустойчивости в кон-цевых ячейках многопробочной ловушки, приводящий к более эффективному обмену между группами пролётных и запертых частиц в условиях малой плотности плазмы вблизи торцов.