СИБИРСКИЕ ФИЗИКИ РАЗОГРЕЛИ ПЛАЗМУ ДО 10 МЛН ГРАДУСОВ В ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКЕ
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 экспериментов 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 мощностью до 0,7 МВт, исследовании физических механизмов наблюдающейся при таком нагреве магнитогидродинамической неустойчивости плазмы и поиске 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 высоковольтных источников питания, формирующих прямоугольный импульс высоковольтного напряжения амплитудой 70 кВ (при стабильности не хуже 0,5%), током до 25 А, длительностью до 3 мс. Излучение гиротронов подводится по отдельным закрытым квазиоптическим линиям и вводится в вакуумную камеру в окрестности двух магнитных пробок как показано на рис. 3.
Для создания оптимальных условий для ЭЦР нагрева требуется повышение магнитного поля в отдельных катушках, расположенных вокруг области поглощения. Дополнительный ток, необходимый для реализации эффективного 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 существенному ухудшению удержания плазмы, в частности без ЭЦР нагрева температура 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 электронов в степени 3/2, при ЭЦР нагреве значительно возрастало энергосодержание плазмы и поток нейтронов D-D синтеза, получающихся при столкновениях между горячими ионами (рис. 4). Стабильный разряд в этом режиме удалось получить при мощности ЭЦР нагрева не превышающей 400 кВт. Электронная температура на оси ГДЛ достигала 200 эВ.
Второй сценарий оптимизировался для получения максимальной электронной температуры. В этом режиме основная часть СВЧ мощности, захваченной плазмой, поглощалась в узкой приосевой области. Поэтому при включении 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) электронная теплопроводность при этом сильно подавлены. Измерения методом том-соновского рассеяния показали, что энергия перераспределяется между тепловыми электронами, то есть речь идет именно об электронной температуре, а не об энергии, запасенной в «хвосте» энергичных электронов. В ходе этих экспериментов 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 тороидальными системами.
Это обстоятельство позволило нам сделать вывод о хороших перспективах 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 включении 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 заключается в том, что к периферии плазмы прикладывается постоянный электрический потенциал, заставляющий её вращаться в скрещенных электрическом и магнитном полях. Для эффективного подавления поперечных потерь при развитии желобковой неустойчивости прикладываемый радиальный потенциал должен быть сопоставим с температурой электронов. При сильном увеличении температуры плазмы при ЭЦР нагреве это условие может нарушаться. Для решения этой проблемы был применён метод ступенчатого повышения радиального потенциала, отслеживающий увеличение температуры при включении ЭЦР нагрева. В результате удалось реализовать относительно устойчивый ЭЦР нагрев плазмы мощностью 700 кВт в течение времени, сопоставимого с полной длительностью разряда в установке.
Демонстрация разряда с рекордно высокой электронной температурой стала возможной за счет выработки оптимальных сценариев ЭЦ нагрева плазмы необыкновенной волной на первой гармонике в основном объеме ловушки. Этот результат дает надежную основу для создания реакторов ядерного синтеза на базе открытых ловушек, имеющих простейшую с инженерной точки зрения осесимметричную конфигурацию магнитного поля. Ближайшим приложением 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 ядерными реакторами, включая устройства для уничтожения радиоактивных отходов. Дальнейшее развитие этого подхода даст возможность рассматривать создание на основе открытых ловушек «чистого» термоядерного реактора, использующего 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 установке и появившиеся новые представления позволяют оценивать перспективы данной схемы удержания высокотемпературной плазмы гораздо более оптимистично, 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 концевых ячейках многопробочной ловушки, приводящий к более эффективному обмену между группами пролётных и запертых частиц в условиях малой плотности плазмы вблизи торцов.
Зависимость энергетического времени жизни от плотности плазмы (которая, в силу ограничений в постановке эксперимента, измерена при той температуре, которая получается для данной плотности) показывает в целом хорошее согласие с формулой многопробочного удержания. Однако оптимальная для удержания плотность оказывается существенно ниже классической, что может быть связано с аномальной частотой столкновений.
Экстраполяция результатов экспериментов на ГОЛ-3 к реакторным условиям показывает, что учёт новых коллективных эффектов делает концептуальную модель реактора более простой и реализуемой с инженерной точки зрения. Реактор может быть стационарным, работать при β < 1 и иметь более компактные размеры.
