Abordarea presei. Capcane deschise: cale de rezervă sau principală către un reactor de fuziune? Capcane deschise pentru plasmă termonucleară Reactorul de fuziune pe capcane deschise
Oamenii de știință de la Institutul de Fizică Nucleară (INP) au obținut o încălzire stabilă a plasmei la 10 milioane de grade Celsius, a raportat NSN Director adjunct pentru cercetare INP Alexander Ivanov. Omul de știință a explicat ce perspective deschide această dezvoltare și de ce, în principiu, elimină crearea de deșeuri radioactive.
- BINP a început să ia în considerare opțiuni pentru crearea unui sistem termonuclear bazat pe o capcană deschisă. Ce înseamnă acest lucru?
Dacă vorbim de încălzirea plasmei cu 10 milioane de grade, trebuie să ne amintim că această temperatură este mai mare decât în centrul Soarelui. Desigur, o astfel de plasmă fierbinte nu poate fi conținută într-un fel de vas cu pereți de material - chiar dacă sunt foarte groși, tot vor arde. Pentru a evita acest lucru, adică pentru a reține plasma fierbinte, există cel puțin două moduri.
Primul este atunci când plasma este plasată într-un câmp magnetic toroidal puternic, care modifică traiectoria particulelor de plasmă, după care acestea încep să se miște în cercuri înfășurate în jurul liniilor câmpului magnetic. În acest caz, plasma nu se mișcă în câmpul magnetic, necreând nici un flux de căldură. Acest principiu sta la baza instalatiilor de tokamak, care au forma unei „goasari” cu camp magnetic in interior, propuse in tara noastra pentru limitarea magnetica a plasmei pentru fuziunea termonucleara controlata. În cursa ideilor despre cum să creăm Soarele pe Pământ, aceste instalații sunt acum lider.
Există un alt sistem. Mai simplu spus, acesta este un tub capcană lung, deschis, cu un câmp magnetic longitudinal, în care plasma este ferită de contactul cu peretele, dar se răspândește relativ liber de-a lungul și lovește pereții de capăt. În aceste capcane, am învățat să facem astfel încât pierderea de căldură de-a lungul câmpului magnetic să fie mult redusă în comparație cu expansiunea liberă a plasmei.
- Cât de departe suntem de a crea un reactor termonuclear?
Există reactoare al căror principiu de funcționare se bazează pe tokamak-uri, altele pe capcane deschise și există și, de exemplu, sisteme cu impulsuri, când o picătură de combustibil tritiu-deuteriu este aprinsă cu un laser și arde în milionatimi de secundă, furnizarea de energie.
În ceea ce privește tokamak-urile, în 10 ani va fi lansat marele reactor ITER în Franța - o structură ciclopică de mare complexitate, unde se va demonstra arderea plasmei termonucleare. Mai mult, temperatura acolo este de aproximativ 10 ori mai mare decât cea pe care o putem obține în prezent în capcane deschise.
Dar, cu toate acestea, la o temperatură de 10 milioane de grade, se pot face lucruri foarte utile - în special, o sursă foarte puternică de neutroni, care este necesară, de exemplu, pentru testarea materialelor pentru un viitor reactor termonuclear. (Adică, pereții tokamak-urilor în timpul testării vor fi expuși unui flux foarte puternic de neutroni, iar oamenii de știință vor putea astfel să simuleze pe deplin situația.) Sursele de neutroni pot fi, de asemenea, folosite ca drivere pentru reactoarele de fisiune subcritică - sunt inserate în interiorul sistemului unui reactor nuclear care funcționează la un câștig de coeficient este mai mic decât unitatea. Acest lucru crește foarte mult siguranța sistemului subcritic, care în principiu elimină posibilitatea unor accidente de tip Cernobîl.
- Cu ce fel de descoperire este „plină” realizarea ta?
Acum, noi, specialiștii ruși în domeniul nuclear, am atins un nivel la care putem începe să proiectăm prototipuri ale unor surse de neutroni atât de puternice. Dacă ne uităm la termen mai lung, nu văd restricții pentru a nu crește temperatura de încălzire a plasmei nu la 10 milioane, ci, să zicem, la 300 de milioane de grade.
Pe baza acestei premise, noi cei de la BINP luăm în considerare posibilitățile de creare a următoarei generații de capcane, ai căror parametri vor fi măriți semnificativ. Și ne vom gândi serios la crearea unui reactor ITER alternativ. Dacă toate acestea funcționează, reactorul nostru termonuclear bazat pe o capcană deschisă poate fi chiar mult mai atractiv din punct de vedere comercial decât unul bazat pe tokamak, iar structura creată în Franța nu poate concura cu ea din punct de vedere al simplității tehnice.
Am atins acum un nivel la care putem începe să proiectăm prototipuri ale unor surse de neutroni atât de puternice. Dacă ne uităm la termen mai lung, nu văd restricții pentru a nu crește temperatura de încălzire a plasmei nu la 10 milioane, ci, să zicem, la 300 de milioane de grade.
Pe baza acestei premise, noi cei de la BINP luăm în considerare posibilitățile de creare a următoarei generații de capcane, ai căror parametri vor fi măriți semnificativ. Și ne vom gândi serios la crearea unui reactor alternativ. Dacă totul merge bine, un reactor de fuziune bazat pe o capcană deschisă poate fi chiar mai atractiv din punct de vedere comercial decât unul bazat pe tokamak.
- Reactoarele bazate pe o capcană deschisă... în ce alte moduri sunt preferabile tokamak-urilor?
Sperăm că apariția reactoarelor bazate pe capcane deschise, la care lucrăm în prezent, va fi posibilă cu o anumită dezvoltare. Au anumite avantaje în comparație cu tokamak-urile. Nu în ultimul rând, mă refer la posibilitatea de a lucra la combustibilul termonuclear, care fie nu produce neutroni deloc, fie produce foarte puțini dintre ei, ceea ce nu este plin de problema depozitării și eliminării pe termen lung a deșeurilor radioactive.
Să remarcăm că Institutul de Fizică Nucleară a anunțat deja planuri de dezvoltare a unui reactor ITER alternativ. Institutul intenționează să finalizeze baza tehnică și economică pentru proiectul unui prototip de reactor alternativ cu numele de cod GDML (capcană gaz-dinamică) în cadrul programului Institutului cu finanțare de la Fundația Rusă pentru Știință, care este proiectat până la 2018.
31.08.2016Serviciul de presă RAS a relatat anterior despre acest eveniment în știrile din 09.08. și 15.08.2016. Detaliile despre această realizare științifică de referință sunt acum publicate.
FIZICINII SIBERIENI PLASMA ÎNCĂLZITĂPÂNĂ 10 MILIOANE DE GRADE
ÎNinstalație de fuziune
Oamenii de știință de la Institutul de Fizică Nucleară poartă numele. G.I. Budker de la Filiala Siberiană a Academiei Ruse de Științe, în experimente pe o capcană gaz-dinamică, a obținut încălzirea stabilă a plasmei la 10 milioane de grade. Acesta este un rezultat foarte semnificativ pentru perspectivele fuziunii termonucleare controlate. Timpul de retenție a plasmei este încă de milisecunde.
Oamenii de știință au început să ia în considerare opțiuni pentru crearea unui reactor termonuclear bazat pe o capcană deschisă.
Oamenii de știință intenționează să obțină randamente acceptabile de energie de fuziune pentru sisteme de aproximativ 100 de metri lungime. Acest lucru este foarte sisteme compacte. Un reactor termonuclear bazat pe o capcană deschisă, o alternativă la TOKAMAK, poate fi creat în următorii 20-30 de ani.
Oamenii de știință academicieni de la Filiala siberiană a Academiei Ruse de Științe au reușit să creeze plasmă fierbinte folosind încălzirea cu ciclotron electronic, ceea ce a făcut posibilă abandonarea pistoalelor cu plasmă și, astfel, efectuarea experimentelor în condiții mai controlate.
Cu parametrii de plasmă deja atinși, un astfel de sistem, în special, poate fi utilizat pentru cercetare în domeniul științei materialelor, deoarece produce fluxuri mari de neutroni.
Director adjunct al BINP SB RAS A. Ivanov a menționat că au fost deja efectuate cercetări privind interacțiunea plasmei cu pereții reactorului, s-au obținut valori record ale densității energetice pe unitatea de suprafață. „Acum știm cum se erodează plăcile de tungsten”, a spus el.
Oamenii de știință cred că s-a dezvoltat la Institutul de Fizică Aplicată Academia Rusă de Științe pentru sursele de radiații BINP SB RAS - girotronii vor fi promițători pentru încălzire, ceea ce va face posibilă atingerea unor parametri de plasmă mai mari.
Anterior, BINP SB RAS a anunțat planuri de a crea un prototip termonuclear reactor. Este de așteptat ca BINP SB RAS să elaboreze un proiect tehnic și un studiu de fezabilitate pentru instalație, după care va începe etapa de negocieri cu potențiali parteneri din alte țări.
După cum s-a raportat, dezvoltarea unui prototip de reactor termonuclear bazat pe o capcană „multi-oglindă” gaz-dinamică este realizată în cadrul unui grant de la Fundația Rusă pentru Știință. Durata programului este 2014-2018, valoarea finanțării proiectului de la Fundația Rusă pentru Știință este de 650 de milioane de ruble.
Anterior, oamenii de știință de la Institutul de Fizică Nucleară SB RAS au obținut o temperatură record de 4,5 milioane de grade (400 de electroni volți) într-o capcană dinamică a gazelor (GDT), care folosit pentru a conține plasmă fierbinte într-un câmp magnetic în 2014, această temperatură a fost crescută la 9 milioane de grade.
ÎNCĂLZIRE PLASMA TERMONUCLEARĂPÂNĂ 10 MILIOANE DE GRADE
O serie de experimente de succes privind încălzirea cu plasmă prin rezonanță electron cyclotron (ECR) a fost efectuată la instalația GDL (Fig. 1). Scopul experimentului a fost testarea scenariului de încălzire combinată a plasmei prin fascicule neutre (NB) cu o putere de 5 MW și încălzire ECR cu o putere de până la 0,7 MW, pentru a studia mecanismele fizice ale instabilității magnetohidrodinamice a plasmei. observate în timpul unei astfel de încălziri și pentru a căuta modalități de a o suprima.
Sistemul de incalzire ECR de la instalatia GDL este format din doua girotrone pulsate cu o frecventa de 54,5 GHz si o putere masurata la intrarea plasma de 300 si 400 kW. Fiecare girotron este alimentat de la surse de alimentare de înaltă tensiune proiectate special, care formează un impuls dreptunghiular de înaltă tensiune cu o amplitudine de 70 kV (cu o stabilitate nu mai slabă de 0,5%), un curent de până la 25 A și o durată de până la 3 ms. Radiația girotronului este furnizată prin linii separate cvasi-optice închise și introdusă într-o cameră de vid în vecinătatea a două oglinzi magnetice, așa cum se arată în Fig. 3.
Pentru a crea condiții optime pentru încălzirea ECR, este necesară o creștere a câmpului magnetic în bobinele individuale situate în jurul regiunii de absorbție. Curentul suplimentar necesar pentru implementarea absorbției efective la capetele opuse ale capcanei a fost obținut prin reducerea câmpului magnetic din corpul principal al capcanei (de la 0,35 la 0,27 T în centrul instalației). O astfel de perturbare a configurației magnetice a condus la o deteriorare semnificativă a confinării plasmei, în special, fără încălzire ECR, temperatura electronilor a scăzut de la 250 eV la 150 eV;
Două scenarii de încălzire ECR au fost optimizate în această configurație magnetică. Primul scenariu a fost optimizat pentru a crește durata de viață a ionilor fierbinți rezultați din captarea de către plasmă a fasciculelor neutre de încălzire. Acest regim a fost caracterizat prin absorbția radiației girotronului pe aproape întreaga secțiune transversală a plasmei, ceea ce a dus la creșterea temperaturii electronilor pe întreg volumul plasmei.
Deoarece durata de viață a ionilor fierbinți este proporțională cu temperatura electronului și puterea de 3/2, în timpul încălzirii ECR conținutul de energie al plasmei și fluxul de neutroni de fuziune D-D rezultat din ciocnirile dintre ionii fierbinți au crescut semnificativ (Fig. 4). S-a putut obține o descărcare stabilă în acest mod cu o putere de încălzire ECR care nu depășește 400 kW. Temperatura electronilor pe axa GDL a ajuns la 200 eV.
Al doilea scenariu a fost optimizat pentru a obține temperatura maximă a electronilor. În acest mod, cea mai mare parte a puterii microundelor captate de plasmă a fost absorbită într-o regiune paraxială îngustă. Prin urmare, atunci când girotronii au fost porniți, s-a format o descărcare cu o temperatură centrală de până la 1 keV în câteva sute de microsecunde (Fig. 5). În ciuda faptului că profilul de temperatură radial a fost puternic atins, bilanțul energetic a arătat că confinarea plasmei în zona paraxială are loc în regim gazodinamic, transportul radial și conductibilitatea termică a electronilor longitudinale clasice (Spitzer) sunt puternic suprimate. Măsurătorile folosind metoda de împrăștiere Thomson au arătat că energia este redistribuită între electronii termici, adică vorbim în mod specific despre temperatura electronilor, și nu despre energia stocată în „coada” electronilor energetici. În timpul acestor experimente, la instalația GDT a fost atinsă o temperatură record de electroni pentru sistemele deschise într-o descărcare cvasi-staționară (-1 ms), iar pentru prima dată parametrii plasmei s-au apropiat de valori comparabile cu sistemele toroidale.
Această împrejurare ne-a permis să concluzionăm că există perspective bune pentru aplicațiile termonucleare bazate pe capcane deschise. Pentru comparație, în fig. Figura 6 arată un grafic care reflectă progresul creșterii temperaturii electronilor în experimentele la instalația GDT în cei 25 de ani de existență ai unității.
O creștere bruscă și semnificativă a temperaturii electronilor atunci când încălzirea ECR este pornită duce la dezvoltarea instabilității plasmei MHD de tip flute. Pentru a suprima această instabilitate într-o descărcare standard GDL (fără încălzire ECR), este utilizată metoda „confinare în vortex”. Constă în faptul că la periferia plasmei se aplică un potențial electric constant, determinând-o să se rotească în câmpuri electrice și magnetice încrucișate. Pentru a suprima eficient pierderile transversale în timpul dezvoltării instabilității canelului, potențialul radial aplicat trebuie să fie comparabil cu temperatura electronului. Cu o creștere puternică a temperaturii plasmei în timpul încălzirii ECR, această condiție poate fi încălcată. Pentru a rezolva această problemă, a fost utilizată o metodă de creștere treptată a potențialului radial, care urmărește creșterea temperaturii atunci când încălzirea ECR este pornită. Ca urmare, a fost posibilă realizarea unei încălziri cu plasmă ECR relativ stabilă cu o putere de 700 kW pentru un timp comparabil cu durata totală a descărcării în instalație.
Demonstrarea unei descărcări cu o temperatură record de electroni a devenit posibilă datorită dezvoltării unor scenarii optime pentru încălzirea EC a plasmei printr-o undă extraordinară la prima armonică din volumul principal al capcanei. Acest rezultat oferă o bază sigură pentru crearea reactoarelor de fuziune nucleară bazate pe capcane deschise, care au cea mai simplă configurație axisimetrică a câmpului magnetic din punct de vedere ingineresc. Aplicarea imediată a unor astfel de reactoare poate fi o sursă puternică de neutroni din reacția de fuziune a nucleelor de deuteriu și tritiu, care este necesară pentru rezolvarea unui număr de probleme în știința materialelor termonucleare, precum și pentru controlul reactoarelor nucleare subcritice, inclusiv a dispozitivelor de distrugere radioactive. deşeuri. Dezvoltarea ulterioară a acestei abordări va face posibilă luarea în considerare a creării, pe baza capcanelor deschise, a unui reactor termonuclear „pur” folosind reacții de fuziune cu neutroni scăzuti sau fără neutroni.
Experimente pe instalația GOL-3 pentru a îmbunătăți retenția longitudinală într-o capcană deschisă
Parametrii plasmei din instalație obținuți ca urmare a multor ani de muncă și noile idei care au apărut fac posibilă evaluarea perspectivelor acestei scheme de confinare a plasmei la temperatură înaltă mult mai optimistă decât era înainte de începerea lucrează la GOL-3 (Fig. 2). Concluzia principală este că procesele principale au loc pe fondul unui nivel destul de ridicat de turbulență a plasmei. Un nou tip de instabilitate a fost descoperit în celulele de capăt ale unei capcane multioglindă, ceea ce duce la un schimb mai eficient între grupuri de particule tranzitorii și prinse în condiții de densitate scăzută a plasmei în apropierea capetelor.
Probabil că nu există un domeniu al activității umane atât de plin de dezamăgiri și eroi respinși ca încercările de a crea energie termonucleară. Sute de concepte de reactoare, zeci de echipe care au devenit constant favoritele bugetelor publice și ale statului și, în sfârșit, părea să existe un câștigător sub formă de tokamak-uri. Și din nou aici - realizările oamenilor de știință din Novosibirsk trezesc interesul în întreaga lume pentru un concept care a fost călcat în picioare în anii '80. Și acum mai multe detalii.
O capcană GDL deschisă care a dat rezultate impresionante
Dintre varietatea de propuneri cu privire la modul de extragere a energiei din fuziunea termonucleară, acestea sunt cele mai orientate către limitarea staționară a unei plasme termonucleare relativ libere. De exemplu, proiectul ITER și mai pe scară largă - capcane toroidale tokamak și stellaratori - provin de aici. Sunt toroidale deoarece aceasta este cea mai simplă formă a unui vas închis format din câmpuri magnetice (datorită teoremei pieptănării ariciului, nu se poate realiza un vas sferic). Cu toate acestea, în zorii cercetărilor în domeniul fuziunii termonucleare controlate, favoritele nu erau capcanele cu geometrie tridimensională complexă, ci încercările de a reține plasmă în așa-numitele capcane deschise. Acestea sunt de obicei și vase magnetice cilindrice, în care plasma este bine reținută în direcția radială și curge din ambele capete. Ideea inventatorilor de aici este simplă - dacă încălzirea unei noi plasme printr-o reacție termonucleară are loc mai repede decât consumul de căldură care se scurge de la capete - atunci Dumnezeu să-l binecuvânteze, cu deschiderea vasului nostru, se va genera energie. , dar scurgerea va apărea în continuare în vasul cu vid și combustibilul va fi plimbat în reactor până când se va arde.
Ideea pentru o capcană deschisă este un cilindru magnetic cu dopuri/oglinzi la capete și expandoare în spatele lor.
În plus, în toate capcanele deschise, se folosește una sau alta metodă pentru a împiedica scăparea plasmei prin capete - iar cel mai simplu aici este creșterea bruscă a câmpului magnetic la capete (instalați „prize” magnetice în terminologia rusă sau „oglinzi”. ” în terminologia occidentală), în timp ce particulele încărcate care intră vor, de fapt, să se reîntoarcă din dopurile oglinzii și doar o mică parte din plasmă va trece prin ele și va intra în expansoare speciale.
Și o imagine puțin mai puțin schematică a eroinei de astăzi - se adaugă o cameră cu vid în care zboară plasmă și tot felul de echipamente.
Primul experiment cu o capcană „oglindă” sau „deschisă”, Q-castravetele, a fost efectuat în 1955 la Laboratorul Național american Lawrence Livermore. De mulți ani, acest laborator a devenit lider în dezvoltarea conceptului de CTS bazat pe capcane deschise (OT).
Primul experiment din lume - o capcană deschisă cu oglinzi magnetice Q-castravete
În comparație cu concurenții închiși, avantajele OL includ geometria mult mai simplă a reactorului și a sistemului său magnetic și, prin urmare, costul său scăzut. Așadar, după căderea primului favorit al reactoarelor CTS - Z-pinch, capcanele deschise au primit prioritate maximă și finanțare la începutul anilor 60, deoarece promiteau o soluție rapidă pentru bani puțini.
La începutul anilor 60, Table Top Trap
Cu toate acestea, nu întâmplător același Z-pinch s-a retras. Înmormântarea sa a fost asociată cu o manifestare a naturii plasmei - instabilități care au distrus formațiunile de plasmă atunci când încercarea de a comprima plasma cu un câmp magnetic. Și tocmai această trăsătură, puțin studiată în urmă cu 50 de ani, a început imediat să-i enerveze pe experimentatori cu capcane deschise. Instabilitățile flautului ne obligă să complicăm sistemul magnetic, introducând, pe lângă solenoizi rotunzi simpli, „bețe Ioffe”, „capcane de baseball” și „bobine yin-yang” și reducând raportul dintre presiunea câmpului magnetic și presiunea plasmei (parametrul β) .
Capcană cu magnet supraconductor „Baseball” Baseball II, mijlocul anilor '70
În plus, scurgerea de plasmă are loc diferit pentru particulele cu energii diferite, ceea ce duce la dezechilibrul plasmei (adică, un spectru non-Maxwellian de viteze ale particulelor), ceea ce provoacă o serie de alte instabilități neplăcute. Aceste instabilități, la rândul lor, „legănând” plasma accelerează ieșirea acesteia prin celulele oglinzilor de capăt La sfârșitul anilor 60, versiunile simple de capcane deschise au atins limita de temperatură și densitate a plasmei închise, iar aceste cifre au fost multe. ordine de mărime mai mici decât cele necesare unei reacții termonucleare. Problema a fost în principal răcirea longitudinală rapidă a electronilor, care a determinat apoi ionii să piardă energie. Era nevoie de idei noi.
Cea mai de succes capcană ambipolară TMX-U
Fizicienii propun noi soluții legate în primul rând de îmbunătățirea confinării longitudinale a plasmei: izolare ambipolară, capcane ondulate și capcane gaz-dinamice.
- Limitarea ambipolară se bazează pe faptul că electronii „curg” dintr-o capcană deschisă de 28 de ori mai repede decât ionii de deuteriu și tritiu, iar la capetele capcanei apare o diferență de potențial - pozitivă din ionii din interior și negativă din exterior. Dacă câmpurile cu plasmă densă sunt amplificate la capetele instalației, atunci potențialul ambipolar din plasma densă va împiedica împrăștierea conținutului intern mai puțin dens.
- Capcanele ondulate creează un câmp magnetic „stricat” la capăt, în care expansiunea ionilor grei este încetinită din cauza „frecării” împotriva câmpului capcanei blocat în „cavități”.
- În cele din urmă, capcanele gaz-dinamice creează cu un câmp magnetic un analog al unui vas cu o gaură mică, din care curge plasma cu o viteză mai mică decât în cazul „dopurilor de oglindă”.
Diagrama sistemului magnetic și încălzirea cu plasmă a Gamma-10 ilustrează în mod clar cât de departe au venit soluțiile OL de la soluții simple până în anii 80.
Totodată, în 1975, la capcana 2X-IIB, cercetătorii americani au fost primii din lume care au realizat o temperatură simbolică a ionilor de 10 kEv - optimă pentru arderea termonucleară a deuteriului și tritiului. De menționat că în anii 60 și 70 au fost marcați de urmărirea temperaturii dorite în orice fel, deoarece... temperatura determină dacă reactorul va funcționa deloc, în timp ce alți doi parametri - densitatea și rata de scurgere a energiei din plasmă (sau mai frecvent numit „timp de reținere”) pot fi compensați prin creșterea dimensiunii reactorului. Cu toate acestea, în ciuda realizării simbolice, 2X-IIB era foarte departe de a fi numit reactor - puterea teoretică de ieșire ar fi fost de 0,1% din cea cheltuită pentru confinarea și încălzirea plasmei. O problemă serioasă a rămas temperatura scăzută a electronilor - aproximativ 90 eV pe fundalul ionilor de 10 keV, asociată cu faptul că într-un fel sau altul electronii au fost răciți pe pereții camerei cu vid în care se afla capcana.
Elemente ale capcanei ambipolare acum dispărute AMBAL-M
Începutul anilor 80 a marcat apogeul dezvoltării acestei ramuri a CTS. Vârful dezvoltării este proiectul american MFTF în valoare de 372 de milioane de dolari (sau 820 de milioane de dolari la prețurile actuale, ceea ce aduce proiectul mai aproape ca costuri de o mașină precum Wendelstein 7-X sau tokamak-ul K-STAR).
Module magnetice supraconductoare MFTF...
Și corpul magnetului său supraconductor de 400 de tone
Era o capcană ambipolară cu magneți supraconductori, inclusiv. terminal capodopera „yin-yang”, numeroase sisteme și încălzire de diagnosticare cu plasmă, un record în toate privințele. S-a planificat să se obțină Q=0,5, adică Producția de energie a unei reacții termonucleare este doar jumătate din costul de întreținere a reactorului. Ce rezultate a obținut acest program? A fost închis printr-o decizie politică într-un stat aproape de pregătire pentru lansare.
Terminați MFTF "Yin-Yang" în timpul instalării într-o cameră de vid de 10 metri a instalației. Lungimea sa trebuia să ajungă la 60 de metri.
În ciuda faptului că această decizie, șocantă din toate părțile, este foarte greu de explicat, voi încerca.
Până în 1986, când MFTF era gata de lansare, o altă vedetă preferată s-a luminat în orizontul conceptelor TCB. O alternativă simplă și ieftină la capcanele deschise „de bronz”, care până atunci deveniseră prea complexe și scumpe pe fundalul conceptului original de la începutul anilor ’60 Toți acești magneți supraconductori cu configurații încurcate, injectoare neutre rapide, frecvență radio puternică sisteme de încălzire cu plasmă, circuite uluitoare de suprimare a instabilității - se părea că astfel de instalații complexe nu vor deveni niciodată prototipul unei centrale termonucleare.
JET în configurația originală a limitatorului și bobine de cupru.
Deci tokamaks. La începutul anilor 80, aceste mașini au atins parametrii plasmei suficienți pentru a arde o reacție termonucleară. În 1984, a fost lansat tokamak-ul european JET, care ar trebui să arate Q=1, și folosește magneți simpli de cupru, costul său este de doar 180 de milioane de dolari. În URSS și Franța, sunt proiectate tokamak-uri supraconductoare, care nu risipesc aproape deloc energie în funcționarea sistemului magnetic. În același timp, fizicienii care lucrează la capcane deschise de ani de zile nu au reușit să facă progrese în creșterea stabilității plasmei și a temperaturii electronilor, iar promisiunile pentru realizările MFTF devin din ce în ce mai vagi. Următoarele decenii, apropo, vor arăta că pariul pe tokamak s-a dovedit a fi relativ justificat - aceste capcane au atins nivelul de putere și Q care au fost de interes pentru inginerii de putere.
Succesele capcanelor deschise și tokamak-urilor până la începutul anilor 80 pe harta „parametrului triplu”. JET va atinge un punct ușor peste „TFTR 1983” în 1997.
Decizia privind MFTF subminează în cele din urmă poziția acestei direcții. Deși experimentele la Institutul de Fizică Nucleară din Novosibirsk și la instalația japoneză Gamma-10 continuă, programele destul de reușite ale predecesorilor lor TMX și 2X-IIB sunt, de asemenea, închise în Statele Unite.
Sfârșitul poveștii? Nu. Literal, în fața ochilor noștri, în 2015, are loc o uimitoare revoluție liniștită. Cercetătorii de la Institutul de Fizică Nucleară poartă numele. Budkera din Novosibirsk, care a îmbunătățit constant capcana GDT (apropo, trebuie remarcat că în Occident, capcanele ambipolare au predominat mai degrabă decât cele gaz-dinamice) atinge brusc parametrii plasmatici care au fost prezis ca „imposibili” de sceptici în anii 80.
Încă o dată GDL. Cilindrii verzi care ies în direcții diferite sunt injectoarele neutre, care sunt discutate mai jos.
Cele trei probleme principale care au îngropat capcanele deschise sunt stabilitatea MHD într-o configurație axisimetrică (care necesită magneți de formă complexă), neechilibrul funcției de distribuție a ionilor (microinstabilitatea) și temperatura scăzută a electronilor. În 2015, GDL, cu o valoare beta de 0,6, a atins o temperatură a electronilor de 1 keV. Cum sa întâmplat asta?
Abaterea de la simetria axială (cilindrica) în anii 60 în încercările de a depăși șanțul și alte instabilități ale plasmei MHD a condus, pe lângă complicarea sistemelor magnetice, la o creștere a pierderilor de căldură din plasmă în direcția radială. Un grup de oameni de știință care lucrează cu GDL a folosit o idee din anii 80 pentru a aplica un câmp electric radial care creează o plasmă vortex. Această abordare a dus la o victorie strălucitoare - cu beta 0,6 (permiteți-mi să vă reamintesc că acest raport dintre presiunea plasmei și presiunea câmpului magnetic este un parametru foarte important în proiectarea oricărui reactor termonuclear - deoarece viteza și densitatea eliberării energiei sunt determinate de presiunea plasmei, iar costul reactorului este determinat de puterea magneților săi), în comparație cu tokamak 0,05-0,1 plasmă este stabilă.
Noile instrumente de măsurare „diagnostic” ne permit să înțelegem mai bine fizica plasmei în GDT
A doua problemă cu microinstabilitățile, cauzată de lipsa ionilor de temperatură scăzută (care sunt atrași de la capetele capcanei printr-un potențial ambipolar) a fost rezolvată prin înclinarea în unghi a injectoarelor cu fascicul neutru. Acest aranjament creează vârfuri de densitate ionică de-a lungul capcanei de plasmă, care captează ionii „calzi” să nu scape. O soluție relativ simplă duce la suprimarea completă a microinstabilităților și la o îmbunătățire semnificativă a parametrilor de izolare a plasmei.
Fluxul de neutroni de la arderea termonucleară a deuteriului într-o capcană GDL. Punctele negre sunt măsurători, liniile sunt diverse valori calculate pentru diferite niveluri de micro-instabilități. Linia roșie - micro-instabilitățile sunt suprimate.
În cele din urmă, principalul „gropar” este temperatura scăzută a electronilor. Deși s-au atins parametrii termonucleari pentru ionii din capcane, temperatura ridicată a electronilor este cheia pentru a împiedica răcirea ionilor fierbinți și, prin urmare, valorile Q ridicate aspirarea electronilor „reci” din expansoarele din spatele capturilor capcanelor din interiorul sistemului magnetic. Până în 2014, temperatura electronilor în capcanele deschise nu a depășit 300 eV, iar valoarea importantă din punct de vedere psihologic de 1 keV a fost obținută în GDL. Ea a fost obținută printr-o muncă subtilă cu fizica interacțiunii electronilor în expansori terminali cu absorbanți neutri de gaz și plasmă.
Acest lucru dă situația peste cap. Acum, capcanele simple amenință din nou primatul tokamak-urilor care au atins dimensiuni și complexitate monstruoase (GDML-U, care combină ideile și realizările GDT și o metodă de îmbunătățire a reținerii longitudinale a GOL. Deși sub influența unor noi rezultate imaginea de GDML se schimbă, rămâne ideea principală în domeniul capcanelor deschise.
Unde stau evoluțiile actuale și viitoare în comparație cu concurenții? Tokamaks, după cum știm, au atins valoarea Q=1, au rezolvat multe probleme de inginerie, vor trece mai degrabă la construcția de instalații nucleare decât electrice și se îndreaptă cu încredere către prototipul unui reactor de putere cu Q=10 și un putere termonucleară de până la 700 MW (ITER). Stellaratorii, care sunt cu câțiva pași în urmă, trec de la studiul fizicii fundamentale și la rezolvarea problemelor de inginerie la Q = 0,1, dar nu riscă încă să intre în domeniul instalațiilor nucleare adevărate cu ardere termonucleară a tritiului. GDML-U ar putea fi similar cu stellaratorul W-7X în ceea ce privește parametrii de plasmă (fiind, totuși, o instalație în impulsuri cu o durată de descărcare de câteva secunde față de funcționarea pe termen lung de jumătate de oră a W-7X), totuși, datorită geometriei sale simple, costul său ar putea fi de câteva ori mai mic decât stelarul german.
Evaluarea BINP.
Există opțiuni pentru utilizarea GDML ca o facilitate pentru studierea interacțiunii dintre plasmă și materiale (cu toate acestea, există destul de multe astfel de facilități în lume) și ca sursă de neutroni termonucleari în diverse scopuri.
Extrapolarea dimensiunilor HDML în funcție de Q-ul dorit și aplicațiile posibile.
Dacă mâine capcanele deschise devin din nou favorite în cursa către CTS, s-ar putea aștepta ca, datorită investițiilor de capital mai mici în fiecare etapă, până în 2050 să ajungă din urmă și să depășească tokamak-urile, devenind inima primelor centrale termonucleare. Doar dacă plasma nu aduce noi surprize neplăcute...
Etichete: Adăugați etichete
Capcană de fuziune
Institutul de Fizică Nucleară, ca toate institutele filialei din Siberia a Academiei Ruse de Științe, este relativ tânăr: în 2008 va avea doar 50 de ani - la fel ca vârsta medie a angajaților săi. Este îmbucurător să vezi că recent mulți studenți absolvenți și de licență au apărut la BINP care plănuiesc să-și continue cercetările științifice în interiorul zidurilor sale. Se știe că tinerii de astăzi sunt atrași acolo unde este interesant, unde există perspective de creștere. Iar la INP există, fără îndoială, astfel de perspective. De asemenea, trebuie subliniat faptul că realizarea celor mai complexe experimente moderne necesită eforturile nu ale unei singure persoane, ci ale unei echipe puternice de oameni care au aceleași idei. De aceea, afluxul de forțe proaspete este atât de important pentru institut...
Plasma este o chestiune misterioasă,
detinand proprietatea de autoorganizare
Plasma este un gaz ionizat complet sau parțial în care sarcina negativă totală a particulelor este egală cu sarcina pozitivă totală. Și, prin urmare, în general, este un mediu neutru din punct de vedere electric sau, după cum spun fizicienii, are proprietatea de cvasineutralitate. Această stare a materiei este considerată a patra stare agregată (după solidă, lichidă și gazoasă) și este o formă normală de existență la temperaturi de ordinul a 10.000 de grade Celsius și peste.
Cercetările asupra acestei stări neobișnuite a materiei din natură au loc de mai bine de un secol. Începând cu a doua jumătate a secolului al XX-lea, „direcția generală” a fost implementarea unei reacții de fuziune termonucleară controlată (CTF) auto-susținută. Cheagurile de plasmă la temperatură ridicată sunt foarte răspândite în Univers: menționați doar Soarele și stelele. Dar pe Pământ există foarte puțin. Particulele cosmice și vântul solar ionizează stratul superior al învelișului atmosferic al Pământului (ionosfera), iar plasma rezultată este reținută de câmpul magnetic al Pământului. Cu alte cuvinte, este un fel de capcană magnetică pământească. În perioadele de creștere a activității solare, fluxul de particule încărcate de la vântul solar deformează magnetosfera planetei. Datorită dezvoltării instabilităților hidromagnetice, plasma pătrunde în atmosfera superioară în regiunea polilor - iar gazele atmosferice, care interacționează cu particulele de plasmă încărcate, sunt excitate și emise. Acesta este responsabil pentru fenomenul aurorei, care poate fi observat doar la poli.
Alături de „direcția generală” în studiul fizicii plasmei, există și altele, nu mai puțin importante, aplicate. Acest lucru a dus la apariția a numeroase tehnologii noi: tăierea cu plasmă, sudarea și tratarea suprafețelor metalice. Plasma poate fi folosită ca fluid de lucru în motoarele navelor spațiale și lămpile fluorescente pentru iluminat. Utilizarea tehnologiilor cu plasmă a provocat o adevărată revoluție în microelectronică. Nu numai că performanța procesorului a crescut semnificativ și capacitatea de memorie a crescut, dar și cantitatea de substanțe chimice utilizate în producție a fost redusă semnificativ - astfel, nivelul daunelor mediului a fost redus la minimum.
Plasma densă la temperatură înaltă există doar în stele pe Pământ ea poate fi obținută doar în condiții de laborator. Această stare neobișnuită a materiei uimește imaginația cu un număr mare de grade de libertate și, în același timp, cu capacitatea de a se autoorganiza și de a răspunde la influențele externe. De exemplu, plasma poate fi ținută într-un câmp magnetic, determinând-o să capete forme diferite. Cu toate acestea, se străduiește să accepte starea care îi este cea mai favorabilă din punct de vedere energetic, ceea ce duce adesea la dezvoltarea diverselor instabilități și, ca un organism viu, să se elibereze din „cușca” rigidă a unei capcane magnetice dacă configurația de această capcană nu i se potrivește. De aceea, sarcina fizicienilor este de a crea astfel de condiții, astfel încât plasma să fie stabilă, să „trăiască” într-o capcană mult timp și calm și să se încălzească până la temperaturi termonucleare de aproximativ 10 milioane de grade Celsius.
Astăzi, două capcane mari cu plasmă unice funcționează cu succes la BINP, care au fost rezultatul aplicării practice a ideilor și principiilor originale născute între zidurile institutului. Acestea sunt capcane de tip deschis, semnificativ diferite de sistemele magnetice închise populare. Ei uimesc prin grandoarea lor misterioasă și, în același timp, ușurința în operare. De-a lungul întregii istorii a lucrărilor la unități, oamenii de știință au reușit să obțină rezultate importante privind încălzirea și limitarea plasmei fierbinți dense, precum și să facă o serie de descoperiri legate de proprietățile fundamentale ale acestei a patra stări a materiei. În fiecare an a prezentat ceva nou și neobișnuit într-una sau alta condiții de viață în capcane la schimbarea configurației câmpului magnetic, la crearea câmpurilor electrice, la adăugarea diferitelor impurități, precum și la injectarea de fascicule puternice în plasmă și la „sondarea” plasmei. cu diverse diagnostice. Iar plasma, „reacționând” la astfel de acțiuni, deși fără tragere de inimă, și-a împărtășit cele mai profunde secrete cercetătorilor...
Capcană dinamică a gazelor (GDT)
Instalația GDL, creată la Institutul de Fizică Nucleară din Novosibirsk în 1986, aparține clasei capcanelor deschise și servește pentru a conține plasmă într-un câmp magnetic.
Configurația câmpului magnetic într-o capcană clasică deschisă simetrică axial este o regiune alungită a unui câmp magnetic uniform cu maxime la margini, care sunt realizate folosind bobine inelare cu un câmp magnetic puternic. Zonele de sub aceste bobine (acele zone ale spațiului ocupate de câmpul magnetic în care acesta atinge valoarea maximă) sunt de obicei numite „dopuri magnetice”, iar o capcană dispusă după acest principiu se numește „celulă oglindă”. În cel mai simplu caz, câmpul magnetic din celula oglinzii este creat doar de oglinzi magnetice.
Particulele de plasmă încărcate (electroni negativi și ioni pozitivi) se deplasează de-a lungul liniilor câmpului magnetic dintre oglinzile magnetice, fiind reflectate de acestea și efectuând astfel mișcări oscilatorii. Particulele cu energie cinetică suficientă pentru a depăși bariera potențială a prizei părăsesc capcana într-un singur zbor.
Diferențele dintre o capcană gaz-dinamică (GDT) și o celulă oglindă convențională descrisă mai sus sunt extinderea mare a secțiunii de câmp omogen din centrul capcanei și un „raport oglindă” foarte mare (raportul R = B 1 /B 2 dintre valorile câmpului magnetic în oglindă și în centrul capcanei). În această configurație, calea liberă medie a ionilor este mică în comparație cu lungimea secțiunii unui câmp magnetic uniform, astfel încât fluxul de plasmă din instalație are loc conform legilor dinamicii gazelor, similar cu scurgerea gazului în un vid dintr-un vas cu o gaură mică, care explică numele instalației. Făcând „găurile” din oglinzile magnetice foarte mici și volumul ocupat de plasmă mare, este posibil să se obțină un timp de izolare a plasmei suficient pentru a desfășura o reacție termonucleară controlată. Adevărat, lungimea unui astfel de reactor oglindă va fi de câțiva kilometri. Cu toate acestea, utilizarea diferitelor dispozitive, așa-numitele dopuri ambipolare, care reduc fluxul de plasmă în dopuri, va reduce lungimea capcanei la limite rezonabile. Prin urmare, perspectivele reactorului unei astfel de capcane rămân atractive. Cea mai promițătoare aplicație termonucleară a schemei de izolare a plasmei este crearea, pe baza GDT-ului, a unei surse simple și fiabile de neutroni rapizi cu o energie de 14 MeV, care se nasc în reacția de fuziune a nucleelor de deuteriu și tritiu. De fapt, acesta este același reactor termonuclear (doar cu eficiență scăzută), consumând energie și producând neutroni. Un astfel de generator de neutroni poate fi folosit pentru a efectua teste de știință a materialelor pentru primul perete al unui viitor reactor termonuclear industrial sau pentru a alimenta un reactor de fisiune cu neutroni de energie scăzută, ceea ce face ca energia nucleară modernă să fie sigură. Proiectul unei surse de neutroni bazat pe o capcană gaz-dinamică a fost dezvoltat de mulți ani la Institutul de Fizică Nucleară. Pentru a testa practic predicțiile teoriei și a acumula o bază de date pentru crearea unei surse de neutroni, la Institutul de Fizică Nucleară SB RAS a fost creat un model experimental de capcană gaz-dinamică - o instalație GDL.
În prezent, comunitatea științifică internațională, care se ocupă de soluția problemei CTS, a început construcția celei mai mari capcane cu plasmă de tip tokamak numită ITER. În următoarele decenii, ITER ar trebui să demonstreze posibilitatea de a opera o centrală termonucleară controlată autonomă bazată pe reacția de fuziune a deuteriului și a tritiului.Cu toate acestea, este evident că pentru dezvoltarea ulterioară a energiei termonucleare a viitorului și construcția unor astfel de stații care vor funcționa timp de decenii și chiar secole, astăzi este necesar să se selecteze materiale fiabile care să reziste la fluxuri puternice de neutroni pe toată durata de viață. . Pentru a testa astfel de materiale, este necesară o sursă puternică de neutroni. BINP dezvoltă de mulți ani un proiect pentru o astfel de sursă bazat pe GDL.
Toate principiile fizice care stau la baza unei surse de neutroni compacte și relativ ieftine bazate pe o capcană gaz-dinamică deschisă sunt în prezent studiate într-un experiment real privind acumularea, imobilizarea și încălzirea plasmei într-o instalație GDT. Deja astăzi, măsurătorile directe ale fluxului de neutroni emise sunt efectuate în experimente cu injecția de deuteriu. Reacția de fuziune deuteriu-deuteriu sub parametrii experimentali dați produce, în general, un flux mic în comparație cu reacția deuteriu-tritiu. Dar pentru verificarea calculelor modelelor, care sunt planificate a fi utilizate în viitor pentru calculele reactorului sursă, acestea sunt destul de suficiente. În decembrie, instalația împlinește 22 de ani: prima plasmă a fost obținută la sfârșitul anului 1985. Cei care au construit-o și au lansat-o lucrează și astăzi în laborator.
Dar echipa a fost completată și cu angajați noi, tineri și energici: unii dintre ei au aceeași vârstă cu instalația GDL în sine.
Partea principală a instalației este o celulă oglindă axisimetrică de 7 m lungime, cu un câmp de 0,3 T în centru și de până la 10 T în mufe, concepută pentru a conține plasmă bicomponentă.
Una dintre componente - plasma „țintă” caldă - are o temperatură a electronilor și ionilor de până la 100 eV (aceasta este de aproximativ 1.200.000 de grade Celsius) și o densitate de ~ 5 10 19 particule pe metru cub. Această componentă este caracterizată de modul de izolare gaz-dinamic descris mai sus. Cealaltă componentă sunt ioni rapizi cu o energie medie de ~ 10.000 eV și o densitate de până la 2 10 19 particule pe metru cub. Ele se formează ca urmare a ionizării în plasma țintă a fasciculelor puternice de atomi, injectate oblic în capcană folosind dispozitive speciale - injectoare cu atom neutru. Această componentă rapidă se caracterizează prin același mod de izolare ca într-o celulă oglindă clasică: ionii rapizi se mișcă pe orbite magnetice de-a lungul liniilor de câmp magnetic și sunt reflectați dintr-o regiune cu câmp magnetic puternic. În acest caz, ionii rapizi sunt încetiniți atunci când interacționează cu particulele plasma țintă (în principal electroni) și se încălzesc la 100 eV și mai mult. Cu injecția oblică și împrăștierea unghiulară mică a particulelor, densitatea ionilor rapizi se dovedește a fi puternic (mare) în apropierea regiunii de reflexie, iar această circumstanță este cea mai atractivă pentru implementarea unei surse de neutroni. Faptul este că fluxul de neutroni în reacția de fuziune este proporțional cu pătratul densității ionilor de deuteriu și tritiu. Și, prin urmare, cu o astfel de densitate, acesta va fi concentrat numai în zona de oprire, unde va fi amplasată „zona de testare”. Restul spațiului de instalare va experimenta o sarcină cu neutroni mult mai mică, ceea ce va elimina necesitatea unei protecții costisitoare cu neutroni a tuturor componentelor generatorului.
O problemă importantă în calea creării unui reactor și a sursei de neutroni bazate pe o celulă oglindă simetrică axial este stabilizarea plasmei în câmpul magnetic. În schema GDT, acest lucru se realizează datorită secțiunilor suplimentare speciale cu un profil de câmp magnetic favorabil pentru stabilitate, care sunt situate în spatele mufelor magnetice și asigură o stabilizare fiabilă a plasmei.
O altă problemă importantă a fuziunii termonucleare controlate (CTF) bazată pe capcane deschise este izolarea termică a plasmei de peretele de capăt. Faptul este că, spre deosebire de sistemele închise, cum ar fi un tokamak sau un stellarator, plasma curge dintr-o capcană deschisă și intră în receptorii de plasmă. În acest caz, electronii reci emiși sub acțiunea fluxului de la suprafața receptorului de plasmă pot pătrunde înapoi în capcană și pot răci foarte mult plasma. În experimentele care studiază izolarea longitudinală la o instalație GDL, a fost posibil să se demonstreze că câmpul magnetic în expansiune din spatele mufei din fața receptorului de plasmă din rezervoarele de capăt - expansoare - previne pătrunderea electronilor reci în capcană și asigură o izolație termică eficientă. de la peretele de capăt.
În cadrul programului experimental GDL, se desfășoară lucrări în derulare legate de creșterea stabilității, a temperaturii țintă și a densității particulelor rapide de plasmă; cu studiul comportării sale în diferite condiții de funcționare ale instalației etc. Se efectuează și studiul proprietăților fundamentale. Merită subliniat faptul că gama de interese științifice și de cercetare legate de plasmă este foarte largă.
Instalația GDL este echipată cu cele mai moderne instrumente de diagnosticare. Cele mai multe dintre ele au fost dezvoltate în laboratorul nostru și, printre altele, sunt furnizate pe bază de contract altor laboratoare de plasmă, inclusiv celor străine.
Echipa de oameni de știință, ingineri și tehnicieni care efectuează cercetări la instalația GDT este mică, dar incredibil de capabilă. Nivelul înalt de calificare al tuturor membrilor săi îi ajută să obțină rezultate înalte. În plus, forța de muncă științifică este în mod constant completată cu „sânge tânăr” - absolvenți ai Universității de Stat din Novosibirsk și ai Universității Tehnice de Stat din Novosibirsk. Studenții diferitelor cursuri, în curs de pregătire practică în laborator, din primele zile iau parte activ la experimente, contribuind astfel direct la crearea de noi cunoștințe. După primul curs, ei rămân pentru pregătire practică în laborator, își susțin cu succes diplomele, intră în școala universitară și pregătesc dizertații pentru candidați. Nu ne vom ascunde că acest lucru ne face pe noi, liderii științifici, extrem de fericiți.
O altă capcană - „GOL-3” - și un unghi ușor diferit asupra fuziunii termonucleare
Omenirea se confruntă cu o penurie de energie electrică, iar în viitorul apropiat această problemă va deveni o prioritate: rezervele de combustibil - petrol și gaze - folosite în principalele centrale electrice moderne, din păcate, se epuizează. De aceea, reactoarele termonucleare ar trebui să devină baza industriei de energie electrică a viitorului.
Reacțiile termonucleare sunt reacții de fuziune a nucleelor ușoare, cum ar fi izotopii hidrogenului deuteriu și tritiu, eliberând cantități mari de energie. Pentru a efectua aceste reacții, sunt necesare temperaturi ridicate - mai mult de 10 milioane de grade Celsius. Se știe că orice substanță la o temperatură de peste 10 mii de grade Celsius devine plasmă. Contactul cu un corp solid duce la răcirea instantanee și la distrugerea explozivă a suprafeței corpului solid, astfel încât plasma trebuie izolată de structură: în acest scop este plasată într-un câmp magnetic.
Este extrem de dificil să încălziți o substanță la temperaturi enorme și să o mențineți într-un câmp magnetic pentru o lungă perioadă de timp - și, prin urmare, mulți experți consideră fuziunea termonucleară controlată (CTF) ca fiind cea mai dificilă sarcină cu care s-a confruntat vreodată omenirea.
Instalația GOL-3 de la Institutul de Fizică Nucleară SB RAS este concepută pentru a încălzi și a conține plasmă termonucleară într-un câmp magnetic cu oglindă multiplă. Instalația constă din trei părți principale: acceleratorul U-2, un solenoid de 12 metri (o unitate pentru crearea unui câmp magnetic puternic) și o unitate de ieșire.
Fasciculul de electroni folosit în instalație este creat de cel mai puternic accelerator din lume (din clasa sa) U-2. În ea, electronii sunt atrași de un câmp electric dintr-un catod de emisie explozivă și accelerați de o tensiune de aproximativ 1 milion de volți. La un curent de 50.000 de amperi, puterea sistemului ajunge la 50 GW. (Dar întregul Novosibirsk consumă de 20 de ori mai puțină energie în timpul zilei.) Cu o durată a fasciculului de aproximativ 8 microsecunde, conține până la 200.000 J de energie (care echivalează cu explozia unei grenade de mână).
În solenoidul principal, atunci când un fascicul trece printr-o plasmă de deuteriu cu o densitate de n = 10 20 -10 22 particule pe metru cub, datorită dezvoltării instabilității în două fluxuri, apare un nivel mare de microturbulență și fasciculul se pierde. la 40% din energia sa, transferându-l electronilor din plasmă. Rata de încălzire este foarte mare: în 3-4 microsecunde, electronii din plasmă sunt încălziți la o temperatură de aproximativ 2.000-4.000 eV (23-46 milioane de grade Celsius: 1 eV = 11.600 de grade Celsius) - acesta este un record mondial pentru capcane deschise (pentru comparație: la instalația 2XIIB din SUA, temperatura nu a depășit 300 eV față de 2.000-4.000 eV la GOL-3).
Câmpul magnetic din solenoidul principal este multi-oglindă (55 celule oglindă), adică maximele (5 T) și minimele (3 T) ale câmpului alternează, iar distanța dintre maxime (22 cm) este de ordinul a lungimea căii ionice. La ce duce acest lucru: dacă un ion părăsește o singură celulă oglindă și zboară de-a lungul câmpului magnetic, atunci într-o celulă oglindă vecină se va ciocni cu o altă particulă, ca urmare poate fi capturat de o celulă oglindă vecină și apoi va „uita” unde zbura. Astfel, expansiunea plasmei din capcană este încetinită semnificativ. Dar timpul de retenție a plasmei fierbinți pe GOL-3 este de până la 1 milisecundă, ceea ce poate fi considerat o realizare incontestabilă a oamenilor de știință.
Oglinzile multiple duc la neomogenitate în transferul de energie de la fascicul la electronii din plasmă: acolo unde câmpul magnetic este mai puternic, încălzirea electronilor este mai puternică. Când este încălzit de un fascicul, un nivel ridicat de turbulență contribuie la o suprimare puternică (de peste o mie de ori) a conductibilității termice electronice, astfel încât neomogenitățile de temperatură nu sunt egalizate și, în consecință, apar diferențe mari de presiune a plasmei: din acest motiv, plasma începe să se miște ca întreg. Din zonele de presiune ridicată până la minimele de presiune pe ambele părți, încep să se miște două fluxuri de plasmă contrare, care se ciocnesc și se încălzesc până la o temperatură de 1-2 keV (este puțin mai mare decât în centrul Soarelui). Acest mecanism de încălzire rapidă a fost descoperit pe GOL-3 în urmă cu patru ani în timpul experimentelor. Din teorie a rezultat că ar trebui să fie însoțită de salturi bruște ale densității plasmei, care au fost descoperite în curând prin împrăștierea Thomson a unui fascicul laser.
După ce trece solenoidul principal, fasciculul intră în nodul de ieșire, care este capabil să primească un fascicul puternic de electroni, precum și un flux de plasmă, fără a fi distrus. Pentru a face acest lucru, câmpul magnetic din nodul de ieșire trebuie să fie divergent, ceea ce reduce densitatea de energie din fascicul cu un factor de 50, iar receptorul fasciculului trebuie să fie din grafit. Particularitatea grafitului, în primul rând, este că nu are fază lichidă, se evaporă imediat; în al doilea rând, are o densitate scăzută (2 g/cm 3 ), datorită căreia gama de electroni în ea este mai mare decât în metale și, prin urmare, energia este eliberată într-un volum mai mare și nu depășește pragul de distrugere explozivă a grafit și, prin urmare, eroziunea grafitului este mică - aproximativ 1 micron per shot. Prezența unui flux puternic de plasmă la ieșirea instalației face posibilă efectuarea de experimente privind iradierea materialelor pentru reactoarele termonucleare ale viitorului: aceste reactoare vor fi supuse unui nivel atât de ridicat de încărcări termice, ceea ce este încă nerealist pentru realizează astăzi în alte instalații cu plasmă.
O altă sarcină importantă care poate fi rezolvată folosind nodul de ieșire este asigurarea siguranței transportului fasciculului prin solenoidul principal. Complexitatea problemei constă în faptul că curentul fasciculului în solenoid (30 kA) este mai mare decât pragul de stabilitate (pentru camera GOL-3 - 12 kA), astfel încât fasciculul este instabil și poate fi aruncat pe perete sau structuri intracamerale, ceea ce va duce la distrugerea lor. În acest scop, înainte de injectarea fasciculului, trebuie lovită o descărcare (fulger) în nodul de ieșire, iar apoi solenoidul principal va fi umplut cu plasmă preliminară relativ rece (câțiva eV), în care, la injectarea fasciculului de electroni, un este indus contracurent și compensează complet curentul fasciculului, care în general va asigura stabilitatea sistemului (curentul total nu va depăși 3 kA).
Una dintre cele mai grave probleme ale CTS este stabilitatea plasmei, adică crearea condițiilor în care plasma nu ar putea părăsi capcana peste câmpul magnetic din cauza dezvoltării diferitelor instabilități ale plasmei. Pentru capcanele deschise, cea mai periculoasă este instabilitatea canalului. Esența sa este că plasma împinge liniile magnetice de forță și se strecoară între ele. În plasma GOL-3, această instabilitate este suprimată datorită deplasării liniilor de câmp magnetic la diferite raze de plasmă, care apare din cauza configurației complexe a curenților din plasmă. Curentul fasciculului curge în centrul plasmei și există, de asemenea, un nivel ridicat de turbulență. Curentul invers curge prin plasmă, dar din cauza turbulenței din centru, rezistența acestuia crește - iar curentul invers curge de-a lungul suprafeței cordonului de plasmă. Curentul în linie dreaptă creează un câmp magnetic circular în jurul său, care, împreună cu câmpul longitudinal al solenoidului, dă un câmp magnetic în spirală. La diferite raze, curentul este diferit (și curge în direcții diferite) - prin urmare, pasul și direcția spiralei sunt, de asemenea, diferite. De aceea, atunci când o canelură de plasmă împinge liniile câmpului magnetic la o rază, întâlnește linii de câmp la un unghi diferit și nu le poate îndepărta - așa este suprimată instabilitatea canalului.
Diagnosticarea plasmei fierbinți este, de asemenea, o sarcină dificilă, adică determinarea temperaturii, compoziției, densității, intensității câmpului magnetic și multe altele. Nu poți introduce un termometru acolo - poate exploda - și plasma se va răci. Este necesar să folosiți diferite metode speciale, care sunt împărțite în pasive și active. Folosind diagnostice pasive, puteți studia ce emite plasma. Cu ajutorul celor activi, injectați, de exemplu, lumină laser sau fascicule de atomi în plasmă și vedeți ce iese din ea.
Diagnosticarea pasivă la instalația GOL-3 include detectoare de fotoni și spectrometre în regiunile vizibile, ultraviolete, cu raze X și gamma, detectoare de neutroni, un detector neutru cu schimb de sarcină, sonde diamagnetice și curele Rogowski. Cele active includ mai multe sisteme laser, un injector cu fascicul atomic și un injector de cereale în stare solidă.
Deși tokamak-urile sunt acum cel mai aproape de parametrii reactorului (au o temperatură și un timp de izolare mai mare), datorită GOL-3, capcanele multi-oglindă sunt, de asemenea, considerate ca o variantă a unui reactor de fuziune. Densitatea plasmei în GOL-3 este de aproape o sută de ori mai mare decât în tokamak, în plus, spre deosebire de tokamak, nu există restricții privind presiunea plasmei în această instalație. Dacă presiunea este comparabilă cu presiunea câmpului magnetic (5 T creează o presiune de ~100 atmosfere), atunci capcana va intra în modul de izolare „perete” - câmpul magnetic împins din plasmă (deoarece plasma este diamagnetic) se va concentra și crește în apropierea pereților camerei și va putea în continuare să rețină plasma. În prezent, nu există un singur motiv care să limiteze fundamental creșterea parametrilor termonucleari principali (n, T și timpul de izolare) în capcanele multioglindă.
Sarcina principală cu care se confruntă astăzi echipa instalației GOL-3 este dezvoltarea conceptului de reactor termonuclear cu oglinzi multiple, precum și verificarea experimentală a principalelor prevederi ale acestui concept.
Nu numai cu pâine... Ci și cu pâine
Cercetarea cu plasmă nu poate fi efectuată fără diagnosticare și, prin urmare, dezvoltările BINP sunt ușor de achiziționat. Institutul încheie contracte pentru furnizarea anumitor instrumente de diagnosticare, iar personalul de cercetare este angajat în dezvoltarea și asamblarea acestor instrumente în propriile ateliere. Acestea sunt în principal injectoare de diagnostic, dar există și unele dispozitive optice, interferometre etc. Treaba nu stă pe loc: BINP știe și să câștige bani.
Literatură
1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov la toate. Încălzirea cu plasmă și izolarea în capcană multi-oglindă GOL-3 // Tranzacții ale științei și tehnologiei Fusion. - 2007. - Vol. 51. - Nu. 2T. - Pp. 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, A. S. S. Studiul mecanismului de încălzire rapidă a ionilor în capcana multioglindă GOL-3 // Fizica Plasmei. - 2005. - T. 31. - Nr. 6. - P. 506-520.
Baza fizică a unui proiect de reactor termonuclear bazat pe o capcană deschisă
Institutul de Fizică Nucleară poartă numele. SB RAS, Novosibirsk, RF, *****@***ru
*Universitatea de Stat Novosibirsk, Novosibirsk, Federația Rusă
**Universitatea Tehnică de Stat Novosibirsk, Novosibirsk, Federația Rusă
În legătură cu dezvoltarea unui nou tip de capcane axisimetrice deschise cu plasmă densă și suprimarea pierderilor longitudinale în oglindă multiplă (GDMLS), estimările despre cum ar putea arăta un reactor termonuclear bazat pe acestea sunt de mare interes. În special, este necesar să se evalueze dacă aprinderea poate fi realizată în el, cu ce cicluri de combustibil ar putea funcționa și în ce condiții, dimensiunea, puterea și alte caracteristici, în comparație cu caracteristicile unui reactor tokamak de tip ITER. Astfel de evaluări vor face posibilă determinarea direcției de dezvoltare în care capcanele deschise vor rămâne competitive în comparație cu tokamak-urile ca reactor de fuziune. Al doilea obiectiv al acestei lucrări este de a revizui problemele fizice și de inginerie asociate cu izolarea plasmei în diferite tipuri de capcane și modul în care acestea sunt rezolvate în sisteme precum HDML.
Revizuirea arată că capcana poate fi considerată ca fiind formată din două subsisteme - miezul central și sisteme pentru suprimarea pierderilor longitudinale de-a lungul marginilor. Zona activă centrală ar trebui să fie o cameră lungă de oglindă cu un câmp cvasi-uniform și un raport mic de oglindă de ordinul 1,5. Acest lucru se datorează faptului că creșterea câmpului magnetic de limitare și, în consecință, a densității plasmei, se dovedește a fi mult mai profitabilă decât creșterea raportului oglinzii. În același timp, câmpul maxim realizabil este limitat de capacitățile tehnice ale supraconductorilor. De jos, raportul oglinzii magnetice este limitat de cerința de a reține majoritatea produselor de reacție încărcate. După cum se arată în lucrările grupului GDL, într-o astfel de configurație magnetică este posibil să se conțină o plasmă cu un b~0,6 ridicat, cu pierderi transversale scăzute. Miezul poate fi acoperit de două tipuri de sisteme de suprimare a pierderilor longitudinale - ambipolar și multi-oglindă, iar aceste principii pot fi combinate într-un singur dispozitiv. În acest caz, componenta electronică fierbinte este reținută în orice caz de potențialul electrostatic, iar electronii reci de pe plăcile de capăt sunt blocați în expansoare de potențialul Yushmanov. Această metodă a fost testată și pe instalația GDL. În plus, pot fi utilizate bariere termice. Se ia în considerare eficacitatea comparativă a diferitelor sisteme de retenție longitudinală. Pierderea transversală într-o configurație optimă ar trebui să fie jumătate din pierderea totală. Cu această condiție, la optimizarea sistemului pe toată lungimea, acestea vor afecta doar raza plasmei și puterea reactorului. Sunt luate în considerare condițiile de aprindere și ardere la starea staționară (ținând cont de modificările compoziției plasmei datorate acumulării produselor de ardere) în reactoare pe baza schemei descrise cu ciclurile combustibilului D-T, D-D și D-He3. Limitele de aprindere și ardere se obțin în funcție de combinația bBm2kL de temperatură, unde Bm este câmpul magnetic maxim (în primul dop), k este coeficientul de suprimare al sistemului final, L este lungimea zonei active. Estimări ale mărimii și puterii reactorului au fost obținute în condițiile limitărilor tehnice și scalarilor existente. Puterea minimă a unui reactor D-T bazat pe o capcană deschisă și costul său pot fi cu un ordin de mărime mai mici decât pentru sisteme precum ITER.
Literatură
Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. et al. în Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Fission”, AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, p. 147
