Acercamiento de prensa. Trampas abiertas: ¿ruta de respaldo o principal hacia un reactor de fusión? Trampas abiertas para plasma termonuclear Reactor de fusión sobre trampas abiertas
Los científicos del Instituto de Física Nuclear (INP) lograron un calentamiento estable del plasma a 10 millones de grados Celsius, informó NSN Alexander Ivanov, subdirector de investigación del INP. El científico explicó qué perspectivas abre este desarrollo y por qué, en principio, elimina la generación de residuos radiactivos.
- BINP comenzó a considerar opciones para crear un sistema termonuclear basado en una trampa abierta. ¿Qué quiere decir esto?
Si hablamos de calentar el plasma 10 millones de grados, debemos recordar que esta temperatura es más alta que en el centro del Sol. Naturalmente, un plasma tan caliente no puede contenerse en algún tipo de recipiente con paredes de material; aunque sean muy gruesas, arderán de todos modos. Para evitar esto, es decir, retener el plasma caliente, existen al menos dos formas.
La primera es cuando el plasma se coloca en un fuerte campo magnético toroidal, que cambia la trayectoria de las partículas de plasma, después de lo cual comienzan a moverse en círculos enrollados alrededor de las líneas del campo magnético. En este caso, el plasma no se mueve a través del campo magnético, por lo que no se genera flujo de calor. Este principio es la base de las instalaciones tokamak, que tienen forma de “donut” con un campo magnético en su interior, propuestas en nuestro país para confinar magnéticamente plasma para la fusión termonuclear controlada. En la carrera de ideas sobre cómo crear el Sol en la Tierra, estas instalaciones lideran ahora.
Hay otro sistema. En pocas palabras, se trata de un tubo trampa largo y abierto con un campo magnético longitudinal, donde el plasma no entra en contacto con la pared, pero se propaga con relativa libertad y golpea las paredes de los extremos. En estas trampas, hemos aprendido a hacerlo de modo que la pérdida de calor a lo largo del campo magnético se reduzca considerablemente en comparación con la expansión libre del plasma.
- ¿Qué tan lejos estamos de crear un reactor termonuclear?
Hay reactores cuyo principio de funcionamiento se basa en tokamaks, otros en trampas abiertas, y también hay, por ejemplo, sistemas pulsados, cuando una gota de combustible tritio-deuterio se enciende con un láser y arde en millonésimas de segundo, proporcionando energía.
En cuanto a los tokamaks, dentro de diez años se pondrá en marcha en Francia el gran reactor ITER, una estructura ciclópea de gran complejidad, donde se demostrará la combustión de plasma termonuclear. Además, la temperatura allí es aproximadamente 10 veces mayor que la que podemos obtener actualmente en trampas abiertas.
Pero, aun así, a una temperatura de 10 millones de grados se pueden hacer cosas muy útiles, en particular, una fuente muy potente de neutrones, necesaria, por ejemplo, para probar los materiales de un futuro reactor termonuclear. (Es decir, las paredes de los tokamaks durante las pruebas quedarán expuestas a un flujo de neutrones muy potente y, por lo tanto, los científicos podrán simular completamente la situación). Las fuentes de neutrones también se pueden utilizar como impulsores para reactores de fisión subcríticos: se insertan dentro del sistema de un reactor nuclear que funciona con un coeficiente de ganancia menor que la unidad. Esto aumenta enormemente la seguridad del sistema subcrítico, lo que en principio elimina la posibilidad de que se produzcan accidentes como los de Chernóbil.
- ¿De qué tipo de avance está “plagado” su logro?
Ahora nosotros, los especialistas nucleares rusos, hemos alcanzado un nivel en el que podemos empezar a diseñar prototipos de fuentes de neutrones tan potentes. Si miramos a largo plazo, no veo restricciones para no aumentar la temperatura de calentamiento del plasma no a 10 millones, sino, digamos, a 300 millones de grados.
Partiendo de esta premisa, en el BINP estamos considerando las posibilidades de crear la próxima generación de trampas, cuyos parámetros aumentarán significativamente. Y pensaremos seriamente en crear un reactor ITER alternativo. Si todo esto funciona, nuestro reactor termonuclear basado en una trampa abierta puede incluso ser mucho más atractivo comercialmente que uno basado en tokamaks, y la estructura que se está creando en Francia no puede competir con él en términos de simplicidad técnica.
Ahora hemos alcanzado un nivel en el que podemos empezar a diseñar prototipos de fuentes de neutrones tan potentes. Si miramos a largo plazo, no veo restricciones para no aumentar la temperatura de calentamiento del plasma no a 10 millones, sino, digamos, a 300 millones de grados.
Partiendo de esta premisa, en el BINP estamos considerando las posibilidades de crear la próxima generación de trampas, cuyos parámetros aumentarán significativamente. Y pensaremos seriamente en crear un reactor alternativo. Si todo sale bien, un reactor de fusión basado en una trampa abierta puede ser incluso más atractivo comercialmente que uno basado en tokamaks.
- Reactores basados en trampa abierta... ¿en qué otras formas son preferibles a los tokamaks?
Esperamos que con cierto desarrollo sea posible la aparición de reactores basados en trampas abiertas, en los que estamos trabajando actualmente. Tienen ciertas ventajas respecto a los tokamaks. Por último, pero no menos importante, me refiero a la posibilidad de trabajar con combustible termonuclear, que o no produce neutrones en absoluto o produce muy pocos, lo que no plantea el problema del almacenamiento y eliminación a largo plazo de residuos radiactivos.
Cabe señalar que el Instituto de Física Nuclear ya ha anunciado planes para desarrollar un reactor ITER alternativo. El Instituto tiene previsto ultimar las bases técnicas y económicas para el proyecto de un prototipo de reactor alternativo con el nombre clave GDML (Gas Dynamic Trap).
31.08.2016El servicio de prensa de la Academia de Ciencias de Rusia informó anteriormente sobre este evento en las noticias del 08.09. y 15/08/2016. Los detalles de este logro científico histórico se están publicando ahora.
FÍSICOS SIBERIANOS PLASMA CALENTADOHASTA 10 MILLONES DE GRADOS
ENplanta de fusión
Científicos del Instituto de Física Nuclear que llevan su nombre. SOLDADO AMERICANO. Budker, de la rama siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia, en experimentos con una trampa dinámica de gas, logró un calentamiento estable del plasma a 10 millones de grados. Este es un resultado muy significativo para las perspectivas de una fusión termonuclear controlada. El tiempo de retención del plasma sigue siendo de milisegundos.
Los científicos comenzaron a considerar opciones para crear un reactor termonuclear basado en una trampa abierta.
Los científicos pretenden lograr rendimientos aceptables de energía de fusión para sistemas de aproximadamente 100 metros de largo. Esto es muy sistemas compactos. En los próximos 20 o 30 años se podrá crear un reactor termonuclear basado en una trampa abierta, una alternativa al TOKAMAK.
Los científicos académicos de la rama siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia lograron crear plasma caliente mediante calentamiento por ciclotrón electrónico, lo que permitió abandonar los cañones de plasma y, así, realizar experimentos en condiciones más controladas.
Una vez alcanzados los parámetros del plasma, un sistema de este tipo se puede utilizar en particular para la investigación en el campo de la ciencia de materiales, ya que genera altos flujos de neutrones.
El director adjunto del BINP SB RAS, A. Ivanov, señaló que ya se han realizado investigaciones sobre la interacción del plasma con las paredes del reactor y se han obtenido valores récord de densidad de energía por unidad de área. "Ahora sabemos cómo se erosionan las placas de tungsteno", dijo.
Los científicos creen que fue desarrollado en el Instituto de Física Aplicada. Academia de Ciencias de Rusia para las fuentes de radiación BINP SB RAS: los girotrones serán prometedores para el calentamiento, lo que permitirá alcanzar parámetros de plasma más altos.
Anteriormente, el BINP SB RAS anunció planes para crear un prototipo termonuclear. reactor. Se supone que BINP SB RAS desarrollará un diseño técnico y un estudio de viabilidad de la instalación, tras lo cual comenzará la etapa de negociaciones con socios potenciales de otros países.
Como se informó, el desarrollo de un prototipo de reactor termonuclear basado en una trampa "multiespejo" dinámica de gas se está llevando a cabo en el marco de una subvención de la Fundación Científica Rusa. La duración del programa es 2014-2018, el monto de la financiación del proyecto de la Fundación Rusa para la Ciencia es de 650 millones de rublos.
Anteriormente, los científicos del Instituto de Física Nuclear SB RAS obtuvieron una temperatura récord de 4,5 millones de grados (400 electronvoltios) en una trampa dinámica de gas (GDT), que Solía contener plasma caliente en un campo magnético; en 2014, esta temperatura se incrementó a 9 millones de grados.
CALENTAMIENTO DE PLASMA TERMONUCLEARHASTA 10 MILLONES DE GRADOS
En la instalación GDL se llevó a cabo una serie de experimentos exitosos sobre calentamiento de plasma por resonancia de ciclotrón electrónico (ECR) (Fig. 1). El objetivo del experimento fue probar el escenario de calentamiento combinado de plasma mediante haces neutros (NB) con una potencia de 5 MW y calentamiento ECR con una potencia de hasta 0,7 MW, para estudiar los mecanismos físicos de la inestabilidad magnetohidrodinámica del plasma. observado durante dicho calentamiento y buscar formas de suprimirlo.
El sistema de calefacción ECR de la instalación GDL consta de dos girotrones pulsados con una frecuencia de 54,5 GHz y una potencia medida en la entrada de plasma de 300 y 400 kW. Cada uno de los girotrones se alimenta de fuentes de alimentación de alto voltaje especialmente diseñadas que forman un pulso rectangular de alto voltaje con una amplitud de 70 kV (con una estabilidad no peor que el 0,5%), una corriente de hasta 25 A y una duración de hasta 3ms. La radiación girotrón se suministra a través de líneas cuasi ópticas cerradas separadas y se introduce en una cámara de vacío cerca de dos espejos magnéticos, como se muestra en la figura. 3.
Para crear condiciones óptimas para el calentamiento del ECR, se requiere un aumento del campo magnético en las bobinas individuales ubicadas alrededor de la región de absorción. La corriente adicional requerida para implementar una absorción efectiva en los extremos opuestos de la trampa se obtuvo reduciendo el campo magnético en el cuerpo principal de la trampa (de 0,35 a 0,27 T en el centro de la instalación). Tal perturbación de la configuración magnética condujo a un deterioro significativo en el confinamiento del plasma; en particular, sin calentamiento del ECR, la temperatura de los electrones disminuyó de 250 eV a 150 eV.
Se optimizaron dos escenarios de calentamiento de ECR en esta configuración magnética. El primer escenario se optimizó para aumentar la vida útil de los iones calientes resultantes de la captura de haces neutros calientes por plasma. Este régimen se caracterizó por la absorción de la radiación del girotrón en casi toda la sección transversal del plasma, lo que provocó un aumento de la temperatura de los electrones en todo el volumen del plasma.
Dado que la vida útil de los iones calientes es proporcional a la temperatura del electrón elevada a 3/2, durante el calentamiento ECR el contenido de energía del plasma y el flujo de neutrones de fusión D-D resultantes de las colisiones entre iones calientes aumentaron significativamente (Fig. 4). Fue posible obtener una descarga estable en este modo con una potencia de calentamiento ECR que no exceda los 400 kW. La temperatura del electrón en el eje GDL alcanzó los 200 eV.
El segundo escenario se optimizó para obtener la temperatura máxima de los electrones. En este modo, la mayor parte de la potencia de microondas capturada por el plasma fue absorbida en una estrecha región paraxial. Por lo tanto, cuando se encendieron los girotrones, se formó una descarga con una temperatura central de hasta 1 keV en unos pocos cientos de microsegundos (Fig. 5). A pesar de que el perfil de temperatura radial alcanzó un fuerte pico, el balance de energía mostró que el confinamiento del plasma en la zona paraxial se produce en un modo dinámico de gas, el transporte radial y la conductividad térmica longitudinal clásica de los electrones (Spitzer) están fuertemente suprimidos. Las mediciones utilizando el método de dispersión de Thomson mostraron que la energía se redistribuye entre los electrones térmicos, es decir, estamos hablando específicamente de la temperatura del electrón y no de la energía almacenada en la "cola" de los electrones energéticos. Durante estos experimentos, en la instalación GDT se logró una temperatura electrónica récord para sistemas abiertos en una descarga casi estacionaria (-1 ms) y, por primera vez, los parámetros del plasma se acercaron a valores comparables a los de los sistemas toroidales.
Esta circunstancia nos permitió concluir que existen buenas perspectivas para las aplicaciones termonucleares basadas en trampas abiertas. A modo de comparación, en la Fig. La Figura 6 muestra un gráfico que refleja el progreso del aumento de la temperatura de los electrones en experimentos en la instalación GDT durante los 25 años de existencia de la instalación.
Un aumento brusco y significativo en la temperatura de los electrones cuando se enciende el calentamiento del ECR conduce al desarrollo de inestabilidad del plasma MHD de tipo flauta. Para suprimir esta inestabilidad en una descarga GDL estándar (sin calentamiento ECR), se utiliza el método de "confinamiento de vórtice". Consiste en que se aplica un potencial eléctrico constante a la periferia del plasma, haciéndolo girar en campos eléctricos y magnéticos cruzados. Para suprimir eficazmente las pérdidas transversales durante el desarrollo de la inestabilidad de la flauta, el potencial radial aplicado debe ser comparable a la temperatura del electrón. Con un fuerte aumento de la temperatura del plasma durante el calentamiento del ECR, esta condición puede verse alterada. Para resolver este problema, se utilizó un método de aumento gradual del potencial radial, que rastrea el aumento de temperatura cuando se enciende la calefacción ECR. Como resultado, fue posible realizar un calentamiento por plasma ECR relativamente estable con una potencia de 700 kW durante un tiempo comparable a la duración total de la descarga en la instalación.
La demostración de una descarga con una temperatura electrónica récord fue posible gracias al desarrollo de escenarios óptimos para el calentamiento EC del plasma mediante una onda extraordinaria en el primer armónico en el volumen principal de la trampa. Este resultado proporciona una base fiable para la creación de reactores de fusión nuclear basados en trampas abiertas, que tienen la configuración de campo magnético axisimétrica más simple desde el punto de vista de la ingeniería. La aplicación inmediata de tales reactores puede constituir una poderosa fuente de neutrones provenientes de la reacción de fusión de los núcleos de deuterio y tritio, necesaria para resolver una serie de problemas en la ciencia de los materiales termonucleares, así como para controlar los reactores nucleares subcríticos, incluidos los dispositivos para destruir radiactivos. desperdiciar. Un mayor desarrollo de este enfoque permitirá considerar la creación, basado en trampas abiertas, de un reactor termonuclear "puro" que utilice reacciones de fusión con bajo contenido de neutrones o sin neutrones.
Experimentos en la instalación GOL-3 para mejorar la retención longitudinal en una trampa abierta
Los parámetros del plasma de la instalación obtenidos como resultado de muchos años de trabajo y las nuevas ideas que han surgido permiten evaluar las perspectivas de este esquema para confinar plasma a alta temperatura de manera mucho más optimista que antes del inicio de trabajar en GOL-3 (Fig. 2). La principal conclusión es que los procesos principales ocurren en el contexto de un nivel bastante alto de turbulencia del plasma. Se ha descubierto un nuevo tipo de inestabilidad en las células finales de una trampa multiespejo, que conduce a un intercambio más eficiente entre grupos de partículas transitorias y atrapadas en condiciones de baja densidad de plasma cerca de los extremos.
Probablemente no exista ningún campo de la actividad humana tan lleno de decepciones y héroes rechazados como los intentos de crear energía termonuclear. Cientos de conceptos de reactores, decenas de equipos que se convirtieron constantemente en los favoritos de los presupuestos públicos y estatales, y finalmente pareció haber un ganador en forma de tokamaks. Y aquí, de nuevo, los logros de los científicos de Novosibirsk están reviviendo el interés en todo el mundo por un concepto cruelmente pisoteado en los años 80. Y ahora más detalles.
Una trampa abierta de GDL que arrojó resultados impresionantes
Entre la variedad de propuestas sobre cómo extraer energía de la fusión termonuclear, las más orientadas hacia el confinamiento estacionario de un plasma termonuclear relativamente suelto. Por ejemplo, el proyecto ITER y, más ampliamente, las trampas toroidales tokamak y los estelaradores, provienen de aquí. Son toroidales porque ésta es la forma más simple de un recipiente cerrado hecho de campos magnéticos (debido al teorema del peinado del erizo, no se puede hacer un recipiente esférico). Sin embargo, en los albores de la investigación en el campo de la fusión termonuclear controlada, las favoritas no eran las trampas con una geometría tridimensional compleja, sino los intentos de contener el plasma en las llamadas trampas abiertas. Generalmente también se trata de recipientes magnéticos cilíndricos, en los que el plasma se retiene bien en dirección radial y sale por ambos extremos. La idea de los inventores aquí es simple: si el calentamiento de un nuevo plasma mediante una reacción termonuclear es más rápido que el consumo de calor que se escapa de los extremos, entonces Dios lo bendiga, con la apertura de nuestro recipiente, se generará energía. , pero la fuga seguirá ocurriendo en el recipiente de vacío y el combustible caminará en el reactor hasta que se queme.
La idea para una trampa abierta es un cilindro magnético con tapones/espejos en los extremos y expansores detrás de ellos.
Además, en todas las trampas abiertas, se utiliza uno u otro método para evitar que el plasma se escape por los extremos, y el más simple aquí es aumentar considerablemente el campo magnético en los extremos (instalar "tapones" magnéticos en terminología rusa o "espejos"). ” en terminología occidental), mientras que las partículas cargadas entrantes, de hecho, saltarán de los tapones de los espejos y sólo una pequeña parte del plasma pasará a través de ellos y entrará en expansores especiales.
Y se agrega una imagen un poco menos esquemática de la heroína de hoy: se agrega una cámara de vacío en la que vuela plasma y todo tipo de equipos.
El primer experimento con una trampa “espejo” o “abierta”, el Q-pepino, se llevó a cabo en 1955 en el Laboratorio Nacional estadounidense Lawrence Livermore. Desde hace muchos años, este laboratorio se ha convertido en líder en el desarrollo del concepto de CTS basado en trampas abiertas (OT).
El primer experimento del mundo: una trampa abierta con espejos magnéticos Q-pepino
En comparación con competidores cerrados, las ventajas de OL incluyen la geometría mucho más simple del reactor y su sistema magnético y, por tanto, su bajo coste. Así, tras la caída del primer favorito de los CTS, los reactores Z-pinch, las trampas abiertas recibieron la máxima prioridad y financiación a principios de los años 60, ya que prometían una solución rápida por poco dinero.
Principios de los años 60, trampa de mesa
Sin embargo, no fue casualidad que el mismo Z-pinch se retirara. Su funeral estuvo asociado con una manifestación de la naturaleza del plasma: inestabilidades que destruyeron las formaciones de plasma al intentar comprimir el plasma con un campo magnético. Y fue precisamente esta característica, poco estudiada hace 50 años, la que inmediatamente comenzó a irritar a los experimentadores de las trampas abiertas. Las inestabilidades de las flautas nos obligan a complicar el sistema magnético, introduciendo, además de simples solenoides redondos, "palos de Ioffe", "trampas de béisbol" y "bobinas yin-yang" y reducen la relación entre la presión del campo magnético y la presión del plasma (parámetro β). .
Trampa magnética superconductora “béisbol” Béisbol II, mediados de los años 70
Además, la fuga de plasma ocurre de manera diferente para partículas con diferentes energías, lo que conduce a un desequilibrio del plasma (es decir, un espectro de velocidades de partículas no maxwelliano), lo que causa otras inestabilidades desagradables. Estas inestabilidades, a su vez, "sacuden" el plasma y aceleran su salida a través de las células especulares finales. A finales de los años 60, las versiones simples de trampas abiertas alcanzaron el límite de temperatura y densidad del plasma confinado, y estas cifras eran muchas. órdenes de magnitud menores que las necesarias para una reacción termonuclear. El problema era principalmente el rápido enfriamiento longitudinal de los electrones, que provocaba que los iones perdieran energía. Se necesitaban nuevas ideas.
La trampa ambipolar más exitosa TMX-U
Los físicos proponen nuevas soluciones relacionadas principalmente con la mejora del confinamiento longitudinal del plasma: confinamiento ambipolar, trampas corrugadas y trampas dinámicas de gas.
- El confinamiento ambipolar se basa en el hecho de que los electrones "fluyen" desde una trampa abierta 28 veces más rápido que los iones de deuterio y tritio, y surge una diferencia de potencial en los extremos de la trampa: positiva de los iones del interior y negativa del exterior. Si los campos con plasma denso se amplifican en los extremos de la instalación, entonces el potencial ambipolar en el plasma denso evitará que los contenidos internos menos densos se dispersen.
- Las trampas de cartón ondulado crean al final un campo magnético "nervado", en el que la expansión de los iones pesados se ralentiza debido a la "fricción" contra el campo de la trampa encerrado en las "cavidades".
- Finalmente, las trampas dinámicas de gas crean con un campo magnético un análogo de un recipiente con un pequeño orificio, del cual fluye plasma a una velocidad menor que en el caso de los "tapones de espejo".
El diagrama del sistema magnético y el calentamiento por plasma de Gamma-10 ilustra claramente hasta qué punto las soluciones OL se habían alejado de las soluciones simples en los años 80.
Al mismo tiempo, en 1975, en la trampa 2X-IIB, los investigadores estadounidenses fueron los primeros en el mundo en alcanzar una temperatura iónica simbólica de 10 keV, óptima para la combustión termonuclear de deuterio y tritio. Cabe señalar que en los años 60 y 70 estuvieron marcados por la búsqueda de la temperatura deseada de cualquier forma, porque... la temperatura determina si el reactor funcionará, mientras que otros dos parámetros: la densidad y la tasa de fuga de energía del plasma (o más comúnmente llamado "tiempo de mantenimiento") se pueden compensar aumentando el tamaño del reactor. Sin embargo, a pesar del logro simbólico, el 2X-IIB estaba muy lejos de ser llamado reactor: la potencia teórica habría sido el 0,1% de la gastada en el confinamiento y calentamiento del plasma. Un problema grave siguió siendo la baja temperatura de los electrones: alrededor de 90 eV en comparación con iones de 10 keV, debido al hecho de que de una forma u otra los electrones se enfriaban contra las paredes de la cámara de vacío en la que se encontraba la trampa.
Elementos de la ya desaparecida trampa ambipolar AMBAL-M
El comienzo de los años 80 marcó el pico de desarrollo de esta rama de CTS. El pico de desarrollo es el proyecto estadounidense MFTF por valor de 372 millones de dólares (o 820 millones de dólares a precios actuales, lo que acerca el coste del proyecto a una máquina como la Wendelstein 7-X o el tokamak K-STAR).
Módulos magnéticos superconductores MFTF…
Y el cuerpo de su imán superconductor final de 400 toneladas.
Era una trampa ambipolar con imanes superconductores, incl. obra maestra terminal “yin-yang”, numerosos sistemas y calentamiento de diagnóstico por plasma, un récord en todos los aspectos. Se planeó alcanzar Q=0,5, es decir La producción de energía de una reacción termonuclear es sólo dos veces menor que el coste de mantener el funcionamiento del reactor. ¿Qué resultados ha logrado este programa? Se cerró por decisión política en un estado cercano a la preparación para el lanzamiento.
Finalice el MFTF "Yin-Yang" durante la instalación en una cámara de vacío de 10 metros de la instalación. Se suponía que su longitud alcanzaría los 60 metros.
A pesar de que esta decisión, impactante por todos lados, es muy difícil de explicar, lo intentaré.
En 1986, cuando el MFTF estaba listo para su lanzamiento, otra estrella favorita se encendió en el horizonte de los conceptos del TCB. Una alternativa simple y económica a las trampas abiertas de "bronce", que en ese momento se habían vuelto demasiado complejas y costosas en el contexto del concepto original de principios de los años 60. Todos estos imanes superconductores de configuraciones desconcertantes, inyectores neutros rápidos, potente radiofrecuencia sistemas de calefacción por plasma, circuitos desconcertantes para suprimir la inestabilidad: parecía que instalaciones tan complejas nunca se convertirán en el prototipo de una central termonuclear.
JET en configuración limitador original y bobinas de cobre.
Entonces tokamaks. A principios de los años 80, estas máquinas alcanzaron parámetros de plasma suficientes para provocar una reacción termonuclear. En 1984 se lanzó el tokamak europeo JET, que debería mostrar Q=1, utiliza imanes de cobre simples y su coste es de sólo 180 millones de dólares. En la URSS y Francia se están diseñando tokamaks superconductores que casi no desperdician energía en el funcionamiento del sistema magnético. Al mismo tiempo, los físicos que trabajan en trampas abiertas durante años no han podido avanzar en el aumento de la estabilidad del plasma y la temperatura de los electrones, y las promesas de logros del MFTF son cada vez más vagas. Las próximas décadas, por cierto, mostrarán que la apuesta por los tokamaks resultó estar relativamente justificada: fueron estas trampas las que alcanzaron el nivel de potencia y Q las que interesaban a los ingenieros de energía.
Éxitos de las trampas abiertas y los tokamaks a principios de los años 80 en el mapa del “triple parámetro”. JET alcanzará un punto ligeramente superior al "TFTR 1983" en 1997.
La decisión sobre el MFTF finalmente socava la posición de esta dirección. Aunque continúan los experimentos en el Instituto de Física Nuclear de Novosibirsk y en la instalación japonesa Gamma-10, en Estados Unidos también se están cerrando los programas bastante exitosos de sus predecesores TMX y 2X-IIB.
¿Fin de la historia? No. Literalmente ante nuestros ojos, en 2015, se está produciendo una sorprendente y silenciosa revolución. Investigadores del Instituto de Física Nuclear que llevan su nombre. Budkera en Novosibirsk, que mejoró constantemente la trampa GDL (por cierto, cabe señalar que en Occidente prevalecieron las trampas ambipolares en lugar de las dinámicas de gas), de repente alcanzó parámetros de plasma que los escépticos predijeron como "imposibles" en los años 80.
Una vez más GDL. Los cilindros verdes que sobresalen en diferentes direcciones son los inyectores neutrales, que se analizan a continuación.
Los tres problemas principales que han enterrado las trampas abiertas son la estabilidad del MHD en una configuración axisimétrica (que requiere imanes de forma compleja), el desequilibrio de la función de distribución de iones (microinestabilidad) y la baja temperatura de los electrones. En 2015, el GDL, con un valor beta de 0,6, alcanzó una temperatura electrónica de 1 keV. ¿Cómo pasó esto?
El abandono de la simetría axial (cilíndrica) en los años 60 en un intento de superar las inestabilidades de los surcos y otras inestabilidades del plasma MHD condujo, además de la complicación de los sistemas magnéticos, a un aumento de la pérdida de calor del plasma en la dirección radial. Un grupo de científicos que trabajan con GDL utilizó una idea de los años 80 para aplicar un campo eléctrico radial que crea un plasma de vórtice. Este enfoque condujo a una brillante victoria, con beta 0,6 (permítanme recordarles que esta relación entre la presión del plasma y la presión del campo magnético es un parámetro muy importante en el diseño de cualquier reactor termonuclear, ya que la velocidad y la densidad de liberación de energía están determinadas por la presión del plasma, y el coste del reactor está determinado por la potencia de sus imanes), en comparación con el tokamak 0,05-0,1 el plasma es estable.
Nuevos instrumentos de medición de “diagnóstico” permiten comprender mejor la física del plasma en GDT
El segundo problema con las microinestabilidades, causadas por la falta de iones de baja temperatura (que son extraídos de los extremos de la trampa por un potencial ambipolar) se resolvió inclinando los inyectores del haz neutro en ángulo. Esta disposición crea picos de densidad de iones a lo largo de la trampa de plasma, que impiden que los iones "calientes" escapen. Una solución relativamente sencilla conduce a la supresión completa de las microinestabilidades y a una mejora significativa de los parámetros de confinamiento del plasma.
Flujo de neutrones procedente de la combustión termonuclear de deuterio en una trampa GDL. Los puntos negros son medidas, las líneas son varios valores calculados para diferentes niveles de microinestabilidades. Línea roja: se suprimen las microinestabilidades.
Finalmente, el principal “sepulturero” es la baja temperatura de los electrones. Aunque se han alcanzado parámetros termonucleares para los iones en las trampas, la alta temperatura de los electrones es la clave para evitar que los iones calientes se enfríen y, por lo tanto, valores altos de Q. La razón de la baja temperatura es la alta conductividad térmica "a lo largo" y el potencial ambipolar. chupando electrones "fríos" de los expansores detrás de los extremos de las trampas dentro del sistema magnético. Hasta 2014, la temperatura de los electrones en las trampas abiertas no superaba los 300 eV, y en el GDT se obtenía el valor psicológicamente importante de 1 keV. Se obtuvo mediante un trabajo sutil con la física de la interacción de los electrones en los expansores finales con gases neutros y absorbentes de plasma.
Esto pone la situación patas arriba. Ahora trampas simples amenazan nuevamente la primacía de los tokamaks que han alcanzado tamaños y complejidad monstruosos (GDML-U, que combina las ideas y logros de GDT y un método para mejorar la retención longitudinal de GOL. Aunque bajo la influencia de nuevos resultados la imagen de GDML está cambiando, sigue siendo la idea principal en el campo de las trampas abiertas.
¿Dónde se encuentran los desarrollos actuales y futuros en comparación con los competidores? Como sabemos, los tokamaks han alcanzado el valor Q=1, han resuelto muchos problemas de ingeniería, pasarán a la construcción de instalaciones nucleares y no eléctricas y avanzan con confianza hacia el prototipo de un reactor de potencia con Q=10 y una potencia termonuclear de hasta 700 MW (ITER). Los estelaradores, que van un par de pasos por detrás, están pasando de estudiar física fundamental a resolver problemas de ingeniería en Q = 0,1, pero aún no corren el riesgo de entrar en el campo de las verdaderas instalaciones nucleares con combustión termonuclear de tritio. GDML-U podría ser similar al estelarador W-7X en términos de parámetros de plasma (siendo, sin embargo, una instalación pulsada con una duración de descarga de varios segundos en comparación con el funcionamiento prolongado de media hora del W-7X), sin embargo, Debido a su geometría simple, su costo podría ser varias veces mayor que el del Stellarator alemán.
Evaluación del BINP.
Existen opciones para utilizar GDML como instalación para estudiar la interacción del plasma y materiales (sin embargo, existen bastantes instalaciones de este tipo en el mundo) y como fuente de neutrones termonucleares para diversos fines.
Extrapolación de las dimensiones del HDML en función de la Q deseada y posibles aplicaciones.
Si mañana las trampas abiertas vuelven a ser favoritas en la carrera hacia el CTS, se podría esperar que, debido a las menores inversiones de capital en cada etapa, en 2050 alcancen y superen a los tokamaks, convirtiéndose en el corazón de las primeras centrales termonucleares. A menos que el plasma traiga nuevas sorpresas desagradables...
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Trampa de fusión
El Instituto de Física Nuclear, como todos los institutos de la rama siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia, es relativamente joven: en 2008 tendrá sólo 50 años, la misma edad media de sus empleados. Es gratificante ver que recientemente han aparecido en el BINP muchos estudiantes de posgrado y pregrado que planean continuar su investigación científica dentro de sus muros. Se sabe que los jóvenes de hoy se sienten atraídos por lo que es interesante y donde hay perspectivas de crecimiento. Y en el INP sin duda existen esas perspectivas. También hay que destacar que para llevar a cabo los experimentos modernos más complejos se necesitan los esfuerzos no de una sola persona, sino de un poderoso equipo de personas con ideas afines. Por eso es tan importante para el instituto la entrada de nuevas fuerzas...
El plasma es un asunto misterioso,
poseer la propiedad de autoorganización
El plasma es un gas total o parcialmente ionizado en el que la carga negativa total de las partículas es igual a la carga positiva total. Y por tanto, en general, es un medio eléctricamente neutro o, como dicen los físicos, tiene la propiedad de cuasineutralidad. Este estado de la materia se considera el cuarto estado agregado (después del sólido, líquido y gaseoso) y es una forma normal de existencia a temperaturas del orden de 10.000 grados Celsius y superiores.
Desde hace más de un siglo se investiga este estado inusual de la materia en la naturaleza. Desde la segunda mitad del siglo XX, la “dirección general” ha sido la implementación de una reacción de fusión termonuclear (CTF) controlada y autosostenida. Los coágulos de plasma a alta temperatura están muy extendidos en el Universo: basta mencionar el Sol y las estrellas. Pero en la Tierra hay muy poco. Las partículas cósmicas y el viento solar ionizan la capa superior de la capa atmosférica de la Tierra (ionosfera) y el plasma resultante es retenido por el campo magnético de la Tierra. En otras palabras, es una especie de trampa magnética terrestre. Durante los períodos de mayor actividad solar, el flujo de partículas cargadas del viento solar deforma la magnetosfera del planeta. Debido al desarrollo de inestabilidades hidromagnéticas, el plasma penetra en la atmósfera superior en la región de los polos y los gases atmosféricos, al interactuar con partículas de plasma cargadas, se excitan y emiten. Esto es responsable del fenómeno de la aurora, que sólo se puede observar en los polos.
Junto a la “dirección general” en el estudio de la física del plasma, existen otras aplicadas, no menos importantes. Esto ha llevado a la aparición de numerosas tecnologías nuevas: corte por plasma, soldadura y tratamiento de superficies metálicas. El plasma se puede utilizar como fluido de trabajo en motores de naves espaciales y lámparas fluorescentes para iluminación. El uso de tecnologías de plasma ha provocado una auténtica revolución en la microelectrónica. No sólo ha aumentado significativamente el rendimiento del procesador y la capacidad de la memoria, sino que también se ha reducido significativamente la cantidad de productos químicos utilizados en la producción, por lo que se ha minimizado el nivel de daño medioambiental.
El plasma denso de alta temperatura sólo existe en las estrellas; en la Tierra sólo se puede obtener en condiciones de laboratorio. Este estado inusual de la materia sorprende la imaginación con una gran cantidad de grados de libertad y, al mismo tiempo, la capacidad de autoorganizarse y responder a influencias externas. Por ejemplo, el plasma puede mantenerse en un campo magnético, lo que hace que adopte diferentes formas. Sin embargo, se esfuerza por aceptar el estado que le resulta más favorable desde el punto de vista energético, lo que a menudo conduce al desarrollo de diversas inestabilidades y, como un organismo vivo, a liberarse de la rígida "jaula" de una trampa magnética, si la configuración de Esta trampa no le conviene. Por eso la tarea de los físicos es crear las condiciones necesarias para que el plasma sea estable, “viva” tranquilamente y durante mucho tiempo en una trampa y se caliente hasta temperaturas termonucleares de unos 10 millones de grados centígrados.
Hoy en día en el BINP funcionan con éxito dos grandes trampas de plasma únicas, que fueron el resultado de la aplicación práctica de ideas y principios originales nacidos dentro de los muros del instituto. Se trata de trampas de tipo abierto, que se diferencian significativamente de los populares sistemas magnéticos cerrados. Sorprenden por su misteriosa grandeza y al mismo tiempo su facilidad de uso. A lo largo de toda la historia del trabajo en las instalaciones, los científicos han podido obtener resultados importantes sobre el calentamiento y la contención del plasma caliente denso, así como una serie de descubrimientos relacionados con las propiedades fundamentales de este cuarto estado de la materia. Cada año se presentaba algo nuevo e inusual en determinadas condiciones de vida en las trampas, al cambiar la configuración del campo magnético, al crear campos eléctricos, al agregar diversas impurezas, así como al inyectar potentes rayos en el plasma y "sondear" el plasma. con diversos diagnósticos. Y el plasma, “reaccionando” a tales acciones, aunque de mala gana, compartió sus secretos más profundos con los investigadores...
Trampa dinámica de gas (GDT)
La instalación GDL, creada en el Instituto de Física Nuclear de Novosibirsk en 1986, pertenece a la clase de trampas abiertas y sirve para contener plasma en un campo magnético.
La configuración del campo magnético en una trampa clásica abierta y simétrica axialmente es una región alargada de un campo magnético uniforme con máximos en los bordes, que se logran utilizando bobinas anulares de un campo magnético fuerte. Las áreas debajo de estas bobinas (aquellas áreas del espacio ocupadas por el campo magnético en las que alcanza su valor máximo) generalmente se denominan "bujías magnéticas", y una trampa dispuesta según este principio se llama "celda espejo". En el caso más sencillo, el campo magnético en la celda del espejo se crea únicamente mediante espejos magnéticos.
Las partículas de plasma cargadas (electrones negativos e iones positivos) se mueven a lo largo de las líneas del campo magnético entre los espejos magnéticos, reflejándose en ellos y realizando así movimientos oscilatorios. Las partículas con energía cinética suficiente para superar la barrera potencial del tapón abandonan la trampa en un solo vuelo.
Las diferencias entre una trampa dinámica de gas (GDT) y una celda de espejo convencional descrita anteriormente son la gran extensión de la sección de campo homogéneo en el centro de la trampa y una "relación de espejo" muy grande (la relación R = B 1 /B 2 de los valores del campo magnético en el espejo y en el centro de la trampa). En esta configuración, el camino libre medio de los iones es pequeño en comparación con la longitud de la sección de un campo magnético uniforme, por lo que la salida de plasma de la instalación se produce según las leyes de la dinámica de los gases, de forma similar a la salida de gas hacia el interior. un vacío de un recipiente con un pequeño agujero, lo que explica el nombre de la instalación. Haciendo muy pequeños los “agujeros” de los espejos magnéticos y grande el volumen ocupado por el plasma, es posible obtener un tiempo de confinamiento del plasma suficiente para llevar a cabo una reacción termonuclear controlada. Es cierto que la longitud de dicho reactor espejo será de varios kilómetros. Sin embargo, el uso de diversos dispositivos, los llamados tapones ambipolares, que reducen el flujo de plasma hacia los tapones, reducirá la longitud de la trampa a límites razonables. Por lo tanto, las perspectivas del reactor de tal trampa siguen siendo atractivas. La aplicación termonuclear más prometedora del esquema de confinamiento de plasma es la creación, a partir del GDT, de una fuente sencilla y fiable de neutrones rápidos con una energía de 14 MeV, que nacen de la reacción de fusión de núcleos de deuterio y tritio. De hecho, se trata del mismo reactor termonuclear (solo que con baja eficiencia), que consume energía y produce neutrones. Un generador de neutrones de este tipo puede utilizarse para realizar pruebas científicas de materiales de la primera pared de un futuro reactor termonuclear industrial o para alimentar un reactor de fisión con neutrones de baja energía, lo que hace que la energía nuclear moderna sea segura. El proyecto de una fuente de neutrones basada en una trampa dinámica de gas se viene desarrollando desde hace muchos años en el Instituto de Física Nuclear. Para probar prácticamente las predicciones de la teoría y acumular una base de datos para crear una fuente de neutrones, en el Instituto de Física Nuclear SB RAS se creó un modelo experimental de una trampa dinámica de gas, una instalación GDL.
Actualmente, la comunidad científica internacional, que se ocupa de la solución al problema de CTS, ha comenzado la construcción de la trampa de plasma tipo tokamak más grande, llamada ITER. En las próximas décadas, el ITER debería demostrar la posibilidad de operar una central termonuclear controlada y autosostenible basada en la reacción de fusión de deuterio y tritio.Sin embargo, es obvio que para un mayor desarrollo de la energía termonuclear del futuro y la construcción de estaciones que funcionarán durante décadas e incluso siglos, hoy es necesario seleccionar materiales fiables que puedan soportar fuertes flujos de neutrones durante toda su vida útil. . Para probar tales materiales, se requiere una potente fuente de neutrones. El BINP lleva muchos años desarrollando un proyecto para una fuente de este tipo basada en GDL.
Todos los principios físicos que subyacen a una fuente de neutrones compacta y relativamente económica basada en una trampa dinámica de gas abierta se están estudiando actualmente en un experimento real sobre la acumulación, confinamiento y calentamiento de plasma en una instalación GDT. Hoy en día se realizan mediciones directas del flujo de neutrones emitidos en experimentos con inyección de deuterio. La reacción de fusión deuterio-deuterio bajo los parámetros experimentales dados produce, en general, un flujo pequeño en comparación con la reacción deuterio-tritio. Pero para comprobar los cálculos del modelo, que se planea utilizar en el futuro para los cálculos del reactor fuente, son más que suficientes. Este diciembre, la instalación cumple 22 años: el primer plasma se obtuvo a finales de 1985. Quienes lo construyeron y pusieron en marcha siguen trabajando hoy en el laboratorio.
Pero el equipo también se ha ampliado con empleados nuevos, jóvenes y enérgicos: algunos de ellos tienen la misma edad que la propia instalación de GDL.
La parte principal de la instalación es una celda de espejos axisimétricos de 7 m de longitud, con un campo de 0,3 T en el centro y hasta 10 T en los enchufes, diseñada para contener plasma de dos componentes.
Uno de los componentes, el plasma cálido "objetivo", tiene una temperatura de electrones e iones de hasta 100 eV (esto es aproximadamente 1.200.000 grados Celsius) y una densidad de ~ 5 · 10 19 partículas por metro cúbico. Este componente se caracteriza por el modo de confinamiento dinámico de gas descrito anteriormente. El otro componente son los iones rápidos con una energía promedio de ~ 10.000 eV y una densidad de hasta 2 10 19 partículas por metro cúbico. Se forman como resultado de la ionización en el plasma objetivo de potentes haces de átomos, inyectados oblicuamente en la trampa mediante dispositivos especiales: inyectores de átomos neutros. Este componente rápido se caracteriza por el mismo modo de confinamiento que en una celda de espejo clásica: los iones rápidos se mueven en órbitas magnéticas a lo largo de las líneas del campo magnético y se reflejan en una región de fuerte campo magnético. En este caso, los iones rápidos se ralentizan cuando interactúan con partículas del plasma objetivo (principalmente electrones) y lo calientan a 100 eV y más. Con inyección oblicua y pequeña dispersión angular de partículas, la densidad de los iones rápidos resulta ser muy pico (grande) cerca de la región de reflexión, y esta circunstancia es más atractiva para la implementación de una fuente de neutrones. El hecho es que el flujo de neutrones en la reacción de fusión es proporcional al cuadrado de la densidad de los iones deuterio y tritio. Y por tanto, con tal densidad de selección, se concentrará únicamente en la zona de parada, donde se ubicará la “zona de prueba”. El resto del espacio de instalación experimentará una carga de neutrones mucho menor, lo que eliminará la necesidad de una costosa protección de neutrones para todos los componentes del generador.
Un problema importante en el camino hacia la creación de un reactor y una fuente de neutrones basados en una celda de espejo axialmente simétrica es la estabilización del plasma a través del campo magnético. En el esquema GDT, esto se logra gracias a secciones adicionales especiales con un perfil de campo magnético favorable para la estabilidad, que se encuentran detrás de los tapones magnéticos y garantizan una estabilización confiable del plasma.
Otro problema importante de la fusión termonuclear controlada (CTF) basada en trampas abiertas es el aislamiento térmico del plasma de la pared final. El hecho es que, a diferencia de los sistemas cerrados como el tokamak o el stellarator, el plasma sale de una trampa abierta y entra en los receptores de plasma. En este caso, los electrones fríos emitidos bajo la acción del flujo desde la superficie del receptor de plasma pueden volver a penetrar en la trampa y enfriar mucho el plasma. En experimentos que estudiaron el confinamiento longitudinal en una instalación GDL, se pudo demostrar que el campo magnético en expansión detrás del enchufe frente al receptor de plasma en los tanques finales (expansores) evita la penetración de electrones fríos en la trampa y proporciona un aislamiento térmico efectivo. desde la pared del fondo.
En el marco del programa experimental GDL, se están llevando a cabo trabajos en curso relacionados con el aumento de la estabilidad, la temperatura objetivo y la densidad de partículas de plasma rápidas; con el estudio de su comportamiento en diversas condiciones de funcionamiento de la instalación, etc. También se está realizando el estudio de propiedades fundamentales. Cabe destacar que el abanico de intereses científicos e investigaciones relacionados con el plasma es muy amplio.
La instalación de GDL está equipada con las más modernas herramientas de diagnóstico. La mayoría de ellos fueron desarrollados en nuestro laboratorio y, entre otras cosas, se suministran por contrato a otros laboratorios de plasma, incluidos los extranjeros.
El equipo de científicos, ingenieros y técnicos que realizan investigaciones en las instalaciones de GDT es pequeño, pero increíblemente capaz. El alto nivel de cualificación de todos sus miembros les ayuda a conseguir altos resultados. Además, la fuerza laboral científica se repone constantemente con "sangre joven": graduados de la Universidad Estatal de Novosibirsk y la Universidad Técnica Estatal de Novosibirsk. Los estudiantes de diversos cursos, que realizan una formación práctica en el laboratorio, desde los primeros días participan activamente en los experimentos, contribuyendo así directamente a la creación de nuevos conocimientos. Después del primer curso, permanecen para realizar prácticas en el laboratorio, defender con éxito sus diplomas, ingresar a la escuela de posgrado y preparar las disertaciones de sus candidatos. No ocultaremos que esto nos hace muy felices a nosotros, los líderes científicos.
Otra trampa, "GOL-3", y un ángulo ligeramente diferente sobre la fusión termonuclear
La humanidad está experimentando una escasez de electricidad y en un futuro próximo este problema se convertirá en una prioridad: las reservas de combustible (petróleo y gas) utilizadas en las principales centrales eléctricas modernas, lamentablemente, se están agotando. Por eso los reactores termonucleares deberían convertirse en la base de la industria eléctrica del futuro.
Las reacciones termonucleares son reacciones de fusión de núcleos ligeros, como los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, liberando grandes cantidades de energía. Para llevar a cabo estas reacciones se necesitan altas temperaturas, más de 10 millones de grados centígrados. Se sabe que cualquier sustancia a una temperatura superior a 10 mil grados centígrados se convierte en plasma. El contacto con un cuerpo sólido provoca un enfriamiento instantáneo y una destrucción explosiva de la superficie del cuerpo sólido, por lo que es necesario aislar el plasma de la estructura: para ello se coloca en un campo magnético.
Es extremadamente difícil calentar una sustancia a temperaturas enormes y mantenerla en un campo magnético durante mucho tiempo y, por eso, muchos expertos consideran que la fusión termonuclear controlada (CTF) es la tarea más difícil a la que jamás se haya enfrentado la humanidad.
La instalación GOL-3 en el Instituto de Física Nuclear SB RAS está diseñada para calentar y contener plasma termonuclear en un campo magnético de múltiples espejos. La instalación consta de tres partes principales: el acelerador U-2, un solenoide de 12 metros (una unidad para crear un campo magnético fuerte) y una unidad de salida.
El haz de electrones utilizado en la instalación es creado por el acelerador más potente del mundo (en su clase) U-2. En él, los electrones son atraídos por un campo eléctrico de un cátodo de emisión explosiva y acelerados por un voltaje de aproximadamente 1 millón de voltios. Con una corriente de 50.000 amperios, la potencia del sistema alcanza los 50 GW. (Pero todo Novosibirsk consume 20 veces menos energía durante el día). Con una duración del haz de unos 8 microsegundos, contiene hasta 200.000 J de energía (lo que equivale a la explosión de una granada de mano).
En el solenoide principal, cuando un haz atraviesa un plasma de deuterio con una densidad de n = 10 20 -10 22 partículas por metro cúbico, debido al desarrollo de la inestabilidad de las dos corrientes, surge un alto nivel de microturbulencia y el haz pierde hasta el 40% de su energía, transfiriéndola a electrones del plasma. La velocidad de calentamiento es muy alta: en 3-4 microsegundos, los electrones del plasma se calientan a una temperatura de aproximadamente 2000-4000 eV (23-46 millones de grados Celsius: 1 eV = 11 600 grados Celsius); este es un récord mundial para trampas abiertas. (A modo de comparación: en la instalación 2XIIB en EE. UU., la temperatura no superó los 300 eV frente a los 2000-4000 eV en GOL-3).
El campo magnético en el solenoide principal es de múltiples espejos (55 celdas de espejo), es decir, los máximos (5 T) y mínimos (3 T) del campo se alternan, y la distancia entre los máximos (22 cm) es del orden de la longitud del camino del ion. A qué conduce esto: si un ion sale de una sola celda espejo y vuela a lo largo del campo magnético, entonces en una celda espejo vecina chocará con otra partícula, como resultado puede ser capturado por una celda espejo vecina, y luego “olvidará” dónde volaba. Por tanto, la expansión del plasma desde la trampa se ralentiza significativamente. Pero el tiempo de retención del plasma caliente en GOL-3 es de hasta 1 milisegundo, lo que puede considerarse un logro indudable de los científicos.
Los múltiples espejos provocan una falta de homogeneidad en la transferencia de energía del haz a los electrones del plasma: donde el campo magnético es más intenso, el calentamiento de los electrones es más intenso. Cuando se calienta con un haz, un alto nivel de turbulencia contribuye a una fuerte (más de mil veces) supresión de la conductividad térmica electrónica, por lo que las desigualdades de temperatura no se igualan y, en consecuencia, se producen grandes diferencias en la presión del plasma: por esta razón, el El plasma comienza a moverse como un todo. Desde áreas de alta presión hasta mínimas de presión en ambos lados, comienzan a moverse dos flujos de plasma contrarios, que chocan y se calientan a una temperatura de 1-2 keV (es ligeramente más alta que en el centro del Sol). Este mecanismo de calentamiento rápido fue descubierto en GOL-3 hace cuatro años durante experimentos. De la teoría se desprende que esto debería ir acompañado de saltos bruscos en la densidad del plasma, que pronto fueron descubiertos por la dispersión de un rayo láser de Thomson.
Después de pasar por el solenoide principal, el haz ingresa al nodo de salida, que es capaz de recibir un potente haz de electrones, así como un flujo de plasma, sin ser destruido. Para ello, el campo magnético en el nodo de salida debe ser divergente, lo que reduce 50 veces la densidad de energía en el haz, y el receptor del haz debe ser de grafito. La peculiaridad del grafito, en primer lugar, es que no tiene fase líquida, se evapora inmediatamente; en segundo lugar, tiene una densidad baja (2 g/cm 3 ), por lo que el rango de electrones en él es mayor que en los metales y, por lo tanto, la energía se libera en un volumen mayor y no excede el umbral de destrucción explosiva de grafito y, por lo tanto, la erosión del grafito es pequeña: aproximadamente 1 micra por disparo. La presencia de un potente flujo de plasma a la salida de la instalación permite realizar experimentos sobre la irradiación de materiales para los reactores termonucleares del futuro: estos reactores estarán sujetos a un nivel tan alto de cargas térmicas que actualmente no es realista conseguir en otras instalaciones de plasma.
Otra tarea importante que se puede resolver utilizando el nodo de salida es garantizar la seguridad del transporte del haz a través del solenoide principal. La complejidad del problema radica en el hecho de que la corriente del haz en el solenoide (30 kA) es mayor que el umbral de estabilidad (para la cámara GOL-3 - 12 kA), por lo que el haz es inestable y puede arrojarse contra la pared. o estructuras intracamara, lo que conducirá a su destrucción. Para ello, antes de la inyección del haz, se debe generar una descarga (un rayo) en el nodo de salida, y luego el solenoide principal se llena con un plasma preliminar relativamente frío (varios eV), en el que, al inyectarse el haz de electrones, se forma un Se induce una contracorriente que compensa completamente la corriente del haz, lo que en general garantizará la estabilidad del sistema (la corriente total no excederá los 3 kA).
Uno de los problemas más graves del CTS es la estabilidad del plasma, es decir, la creación de condiciones en las que el plasma no puede salir de la trampa a través del campo magnético debido al desarrollo de diversas inestabilidades del plasma. Para las trampas abiertas, lo más peligroso es la inestabilidad de las ranuras. Su esencia es que el plasma separa las líneas de fuerza magnéticas y se desliza entre ellas. En el plasma GOL-3, esta inestabilidad se suprime debido al desplazamiento de las líneas del campo magnético en diferentes radios del plasma, que surge debido a la compleja configuración de las corrientes en el plasma. La corriente del haz fluye en el centro del plasma y también hay un alto nivel de turbulencia. La corriente inversa fluye a través del plasma, pero debido a la turbulencia en el centro, su resistencia aumenta y la corriente inversa fluye a lo largo de la superficie del cordón de plasma. La corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético circular que, junto con el campo longitudinal del solenoide, forma un campo magnético en espiral. En diferentes radios, la corriente es diferente (y fluye en diferentes direcciones); por lo tanto, el paso y la dirección de la espiral también son diferentes. Por eso, cuando una ranura de plasma separa las líneas de campo magnético en un radio, encuentra líneas de campo en un ángulo diferente y no puede separarlas; así se suprime la inestabilidad de la ranura.
El diagnóstico del plasma caliente también es una tarea difícil, es decir, determinar su temperatura, composición, densidad, intensidad del campo magnético y mucho más. No se puede insertar un termómetro allí, puede explotar y el plasma se enfriará. Es necesario utilizar varios métodos especiales, que se dividen en pasivos y activos. Mediante el diagnóstico pasivo, se puede estudiar lo que emite el plasma. Con la ayuda de los activos, inyecte, por ejemplo, luz láser o rayos de átomos en el plasma y vea qué sale de él.
Entre los diagnósticos pasivos, en la instalación GOL-3 se utilizan detectores de fotones y espectrómetros en las regiones visible, ultravioleta, de rayos X y gamma, detectores de neutrones, detector neutro de intercambio de carga, sondas diamagnéticas y cinturones de Rogowski. Los activos incluyen varios sistemas láser, un inyector de haz atómico y un inyector de granos de estado sólido.
Aunque los tokamaks ahora se acercan más a los parámetros del reactor (tienen una temperatura y un tiempo de confinamiento más altos), gracias a GOL-3, las trampas multiespejos también se están considerando como una variante del reactor de fusión. La densidad del plasma en GOL-3 es casi cien veces mayor que en los tokamaks en promedio; además, a diferencia de los tokamaks, en esta instalación no existen restricciones en la presión del plasma. Si la presión es comparable a la presión del campo magnético (5 T crean una presión de ~100 atmósferas), entonces la trampa entrará en el modo de confinamiento de "pared": el campo magnético es expulsado del plasma (ya que el plasma es diamagnético) se concentrará y aumentará cerca de las paredes de la cámara y aún podrá retener plasma. En la actualidad, no existe una sola razón que limite fundamentalmente el crecimiento de los principales parámetros termonucleares (n, T y tiempo de confinamiento) en trampas multiespejos.
La tarea principal que enfrenta hoy el equipo de la instalación GOL-3 es el desarrollo del concepto de reactor termonuclear de espejos múltiples, así como la verificación experimental de las principales disposiciones de este concepto.
No sólo de pan... sino también de pan
La investigación del plasma no se puede realizar sin diagnóstico y, por lo tanto, los desarrollos del BINP se compran fácilmente. El instituto celebra contratos para el suministro de determinadas herramientas de diagnóstico y los investigadores participan en el desarrollo y montaje de estas herramientas en sus propios talleres. Se trata principalmente de inyectores de diagnóstico, pero también hay algunos dispositivos ópticos, interferómetros, etc. La cuestión no se queda quieta: el BINP también sabe ganar dinero.
Literatura
1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov en absoluto. Calentamiento y confinamiento de plasma en trampa multiespejo GOL-3 // Transacciones de ciencia y tecnología de fusión. - 2007. - Vol. 51. - No. 2T. - págs. 106-111.
2. A. V. Arzhannikov, V. T. Astrelin, A. V. Burdakov, I. A. Ivanov, V. S. Koidan, S. A. Kuznetsov, K. I. Mekler, S. V. Polosatkin, V. V. Postupaev, A. F. Rovenskikh, S. L. Sinitsky, Yu. S. Sulyaev, A. A. Shoshin. Estudio del mecanismo de calentamiento rápido de iones en la trampa multiespejo GOL-3 // Física del plasma. - 2005. - T. 31. - No. 6. - P. 506-520.
Bases físicas del diseño de un reactor termonuclear basado en trampa abierta.
Instituto de Física Nuclear que lleva el nombre. SB RAS, Novosibirsk, RF, *****@***ru
*Universidad Estatal de Novosibirsk, Novosibirsk, Federación de Rusia
**Universidad Técnica Estatal de Novosibirsk, Novosibirsk, Federación de Rusia
En relación con el desarrollo de un nuevo tipo de trampas axisimétricas abiertas con plasma denso y supresión de pérdidas longitudinales por múltiples espejos (GDMLS), son de gran interés las estimaciones de cómo podría ser un reactor termonuclear basado en ellas. En particular, es necesario evaluar si en él se puede lograr la ignición, con qué ciclos de combustible podría funcionar y en qué condiciones, su tamaño, potencia y otras características en comparación con las características de un reactor tokamak del tipo ITER. Estas evaluaciones permitirán determinar en qué dirección del desarrollo las trampas abiertas seguirán siendo competitivas en comparación con los tokamaks como reactor de fusión. El segundo objetivo de este trabajo es revisar los problemas físicos y de ingeniería asociados con el confinamiento de plasma en varios tipos de trampas, y cómo se resuelven en sistemas como HDML.
La revisión muestra que se puede considerar que la trampa consta de dos subsistemas: el núcleo central y los sistemas para suprimir las pérdidas longitudinales a lo largo de los bordes. La zona activa central debe ser una cámara de espejo larga con un campo casi uniforme y una pequeña relación de espejo del orden de 1,5. Esto se debe al hecho de que aumentar el campo magnético limitante y, en consecuencia, la densidad del plasma, resulta mucho más rentable que aumentar la relación de espejo. Al mismo tiempo, el campo máximo alcanzable está limitado por las capacidades técnicas de los superconductores. Desde abajo, la relación del espejo magnético está limitada por el requisito de retener la mayoría de los productos de reacción cargados. Como se muestra en el trabajo del grupo GDL, en tal configuración magnética es posible contener un plasma con un alto b~0,6, con bajas pérdidas transversales. El núcleo se puede cerrar mediante dos tipos de sistemas de supresión de pérdidas longitudinales: ambipolar y multiespejo, y estos principios se pueden combinar en un solo dispositivo. En este caso, el componente electrónico caliente es retenido en cualquier caso por el potencial electrostático y los electrones fríos de las placas terminales quedan encerrados en los expansores por el potencial de Yushmanov. Este método también se probó en la instalación de GDL. Además, se pueden utilizar barreras térmicas. Se considera la eficacia comparativa de varios sistemas de retención longitudinal. La pérdida transversal en una configuración óptima debería ser la mitad de la pérdida total. Con esta condición, al optimizar el sistema en toda su longitud, solo afectarán el radio del plasma y la potencia del reactor. Se consideran las condiciones de ignición y combustión en estado estacionario (teniendo en cuenta los cambios en la composición del plasma debido a la acumulación de productos de combustión) en reactores según el esquema descrito con ciclos de combustible D-T, D-D y D-He3. Los límites de ignición y combustión se obtienen en términos de la combinación bBm2kL de temperatura, donde Bm es el campo magnético máximo (en la primera bujía), k es el coeficiente de supresión del sistema final, L es la longitud de la zona activa. Se obtuvieron estimaciones del tamaño y la potencia del reactor teniendo en cuenta las limitaciones técnicas y las escalas existentes. La potencia mínima de un reactor D-T basado en una trampa abierta y su coste pueden ser un orden de magnitud inferior al de sistemas como ITER.
Literatura
Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. et al. en Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Fision", Actas de la conferencia AIP, 2012, v. 1442, p. 147
