Лаборатория 9-1

Основными направлениями деятельности лаборатории 9-1 являются:  

  • проведение фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований в области физики плазмы,
  • разработка и развитие проекта газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ)
Должность  заведующий лабораторией 9-1
Ученая степень  доктор физико-математических наук
Рабочий телефон +7 (383) 329-42-24
Адрес электронной почты  P.A.Bagryansky@inp.nsk.su

Установка "Газодинамическая Ловушка" (ГДЛ), созданная в Новосибирском институте ядерной физики в 1986 году, относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле.

GDT 2015

 

 

Плазма - это полностью или частично ионизованный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной средой, или как говорят в физике, плазма обладает свойством квазинейтральности. Плазма считается четвертым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества и является нормальной формой существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. 

aurora

Плазма очень распространена во Вселенной. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Но на Земле плазмы очень мало, природный пример – верхний слой атмосферной оболочки Земли, он также образован из плазмы – это так называемая ионосфера. Космические частицы и частицы солнечного ветра ионизуют верхний слой атмосферы, и образовавшаяся плазма удерживается магнитным полем Земли. То есть, это своеобразная земная магнитная ловушка. В период повышенной солнечной активности поток заряженных частиц солнечного ветра деформирует магнитосферу планеты. Вследствие развития гидромагнитных неустойчивостей плазма проникает в верхнюю атмосферу в районе полюсов. Атмосферные газы взаимодействуют с заряженными частицами плазмы, возбуждаются и рождают свечение. Этим обусловлено явление полярного сияния, видимое только на полюсах.

Исследования плазмы как необычного состояния вещества в природе проводятся уже более века, а начиная со второй половины 20 века, в неразрывной связи с «генеральным направлением» физики плазмы – осуществлением самоподдерживающейся управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС).

Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. (Электронвольт (сокращённо эВ или eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Таким образом, 1 эВ = 1,602 176 487(40)×10−19 Дж = 1,602 176 487(40)×10−12 эрг). Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму. 

Главными реакциями синтеза с участием изотопов легких атомов являются следующие: 

D + T → 4He (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ),
D + D → 3He (0.82 МэВ) + n (2.45 МэВ),
→ T (1 МэВ) + p (3 МэВ),

причем вероятность двух каналов D+D реакции одинакова. Эти реакции в конечном итоге ведут к появлению радиоактивных продуктов, которые образуются во вторичных реакциях с участием термоядерных нейтронов в стенках реактора. Этого недостатка лишена реакция

D + 3He → 4He (3.6 МэВ) + p (14.7 МэВ)

На Земле 3He практически отсутствует, однако он обнаружен на поверхности Луны. Если термоядерная энергетика когда-нибудь станет реальностью, то вероятно она будет основана именно на этой реакции. А на сегодняшний день основной реакцией для будущей термоядерной электростанции выбрана реакция D+T благодаря высокому энерговыделению и большому сечению реакции.

Iter fВ настоящее время международное научное сообщество приступило к строительству крупнейшего международного экспериментального термоядерного реактора типа токамак под названием «ИТЭР». В ближайшие десятилетия ИТЭР должен продемонстрировать возможность функционирования самоподдерживающейся управляемой термоядерной электростанции на основе реакции синтеза дейтерия и трития. Однако очевидно, что для дальнейшего развития термоядерной энергетики будущего и строительства таких станций, которые будут работать десятилетиями, уже сегодня нужно отобрать из уже существующих и создать новые надежные материалы, способные на протяжении всего срока службы выдерживать мощные нейтронные потоки. Для проведения испытаний таких материалов необходим мощный источник термоядерных нейтронов. Согласно требованиям специалистов в области термоядерного материаловедения, плотность потока нейтронов с энергией 14 МэВ в зоне испытаний должна быть порядка 2 МВт/м2. Источник нейтронов с таким потоком может быть создан на основе открытой ловушки.

Установка ГДЛ, созданная в Новосибирском институте ядерной физики в 1986 году, относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле.

Конфигурация магнитного поля в классической открытой аксиально-симметричной ловушке представляет собой вытянутую область однородного магнитного поля с максимумами на краях, достигаемыми при помощи кольцевых катушек сильного магнитного поля. Области под этими катушками (те области пространства, занятого магнитным полем, где оно достигает максимального значения) принято называть магнитными пробками, а ловушку, устроенную по такому принципу – пробкотроном. В простейшем случае магнитное поле в пробкотроне создается только магнитными пробками. На рис. 1 изображен профиль магнитного поля на оси пробкотрона в этом случае.

OpenTrap

Рис. 1. Конфигурация магнитного поля в пробкотроне, используемом для удержания плазмы: а – схема расположения катушек и конфигурация магнитного поля, показана часть траектории захваченной частицы; б – изменение магнитного поля вдоль оси пробкотрона

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

Концепция газодинамической ловушки (ГДЛ) родилась благодаря попытке значительно упростить физику удержания плазмы в классическом пробкотроне Будкера-Поста [2]. В отличии от пробкотрона, где удержание бесстолкновительных частиц плазмы обусловлено законами сохранения энергии и магнитного момента, ГДЛ предназначена для удержания столкновительной плазмы с изотропным в пространстве скоростей максвелловским распределением частиц. Условие столкновительности выражается в том, что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину системы:

L >> li(lnR / R)

где lii- длина свободного пробега ионов относительно рассеяние на угол порядка единицы, L - длина ловушки, R - пробочное отношение, которое в ГДЛ предполагается большим (R>>1). В этих условиях механизм удержания частиц плазмы предельно прост и аналогичен удержанию бесстолкновительного газа в сосуде с малым отверстием.

Время удержания плазмы в такой ловушке можно определить при помощи простой газодинамической оценки:

t ~ L (R / Vi)

где V- средняя тепловая скорость ионов, что и оправдывает название системы.

Важнейшим достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы, продольные потери частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости их рассеяния внутри ловушки [3]. Чтобы получить нужное для реакторных приложений время удержания, достаточно увеличить пробочное отношение, насколько это позволительно, и увеличить длину ловушки до нужных размеров. Другим замечательным достоинством газодинамической ловушки является возможность достижения МГД устойчивости плазмы в рамках осесимметричной конфигурации магнитного поля при реализации механизма так называемого "вихревого транспортного барьера" [4].

Важно отметить, что газодинамическая ловушка обладает еще одним очень важным достоинством, характерным для пробкотронов. Согласно результатам теоретического анализа МГД устойчивость в ГДЛ сохраняется при высоких значениях плазменного, бета (ß=8πp1 / B2 - отношение поперечной составляющей давления плазмы к давлению магнитного поля), вплоть до ß = 0.3−0.7

Главный недостаток ГДЛ с точки зрения реакторных приложений есть, как бывает часто, продолжение ее достоинств. При использовании технически достижимых на сегодняшний день способов создания магнитного поля в пробках минимальная длина термоядерного реактора на основе газодинамической ловушки превышает 1 км. Такая длина сегодня кажется слишком большой, однако принципиально не закрывает перспективы развития термоядерных реакторов на основе ГДЛ в будущем. Более того, вероятные прорывы в области технологий создания сверхсильных магнитных полей (к примеру, достижения мегагауссных напряженностей с использованием теплых сверхпроводников) могли бы вывести газодинамическую ловушку в безусловные лидеры с точки зрения перспектив использования в качестве термоядерного реактора.

Тем не менее, более реалистичным на сегодняшний день кажется предложение использовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерного реактора с низким КПД [5]. Источник нейтронов (ИН) D-T реакции с энергиями близкими к 14 МэВ и плотностью мощности потока (1-4 МВт/м2 сегодня востребован сообществом термоядерных материаловедов, перед которыми стоит одна из сложнейших проблем термоядерных исследований - задача поиска материалов, обладающих адекватной нейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих D-T реакторов. Существуют также предложения использовать нейтронные источники такого типа для дожигания радиоактивных отходов и даже для управления подкритическими реакторами деления.

gdtbestrus

Рис.2: Схема установки ГДЛ, предназначенной для физического моделирования источника нейтронов на основе газодинамической ловушки

GDT 2015

Рис.3: Вид установки ГДЛ

Схема установки ГДЛ приведена на рис. 2. Главной ее частью является осесимметричный пробкотрон длиной 7 метров, с полем 0.3 Тл в центре и до 13 Тл в пробках, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы.

Одна из компонент – теплая «мишенная» плазма – имеет температуру электронов и ионов до 200 эВ (примерно 2 млн. градусов) и плотность 5 · 1019 частиц в куб. м. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, описанный выше. Другая компонента – это быстрые ионы со средней энергией ~ 10 кэВ и плотностью до 5 · 1019 частиц в куб. м. Эти ионы образуются в результате ионизации в мишенной плазме мощных пучков атомов, наклонно инжектируемых в ловушку с помощью специальных устройств – инжекторов нейтральных атомов. Для этой быстрой компоненты характерен режим удержания как в классическом пробкотроне, т.е. быстрые ионы движутся по магнитным орбитам вдоль силовых линий магнитного поля и отражаются от области сильного магнитного поля. При этом быстрые ионы тормозятся при взаимодействии с частицами мишенной плазмы (в основном с электронами) и нагревают ее до 200 эВ и выше. При наклонной инжекции и малом угловом рассеянии частиц плотность быстрых ионов оказывается сильно пикированной вблизи области отражения, и это обстоятельство является наиболее привлекательным для проекта нейтронного источника. Дело в том, что поток нейтронов в реакции синтеза пропорционален квадрату плотности ионов дейтерия и трития. Поэтому при такой пикировке плотности он будет сосредоточен только в области остановки, где и будет размещаться «тест-зона». Все остальное пространство установки будет испытывать гораздо меньшую нейтронную нагрузку, что позволяет отказаться от дорогостоящей нейтронной защиты всех узлов генератора.

Важной проблемой на пути к созданию реактора или нейтронного источника на основе аксиально-симметричного пробкотрона является стабилизация плазмы поперек магнитного поля. В схеме ГДЛ она достигается с помощью специальных кольцевых лимитеров, охватывающих плазму по периметру вблизи магнитных пробок. При подаче напряжения на эти лимитеры, на периферии плазмы образуется так называемый «вихревой транспортный барьер», препятствующий потере плазмы поперек магнитного поля.

Другой важной проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) на основе открытых ловушек является термоизоляция плазмы от торцевой стенки. Дело в том, что в открытых ловушках, в отличие от замкнутых систем типа токамак или стелларатор, плазма вытекает из ловушки и попадает на плазмоприемники. При этом холодные электроны, эмитированные под действием потока плазмы с поверхности плазмоприемника, могут проникать обратно в ловушку и сильно охлаждать плазму. В экспериментах по изучению продольного удержания плазмы на установке ГДЛ было экспериментально показано, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмориемником в торцевых баках – расширителях (см. рисунок 2) препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и эффективно термоизолирует плазму от торцевой стенки.

Дополнительный нагрев электронов плазмы осуществляется при помощи микроволнового излучения на частоте электронного-циклотронного резонанса (ЭЦР). Для этой цели реализованы два канала инжекции пучков СВЧ излучения, которое производится двумя гиротронами с частотой 54,5 ГГц и суммарной мощностью 0,7 МВт на поверхности плазмы.

Для создания теплой плазмы на начальной стадии разряда был разработан, а также хорошо обоснован экспериментально и теоретически метод генерации предварительной плазмы при помощи микроволнового пробоя газа, изначально инжектированного в ловушку. Разработка этого метода существенно расширила экспериментальные возможности установки ГДЛ, в частности, стало возможным поддерживать абсолютно идентичные условия относительно нейтралов в расширителях в процессе плазменного разряда, что необходимо для изучения физических процессов, связанных с нейтральной компонентой и ее влиянием на продольный транспорт частиц и энергии.

В рамках экспериментальной программы ГДЛ ведется постоянная работа по повышению устойчивости плазмы, уменьшению и подавлению продольных потерь плазмы и энергии из ловушки, исследованию поведения плазмы в различных условиях работы установки, повышению температуры мишенной плазмы и плотности быстрых частиц.
Установка ГДЛ оснащена самыми современными средствами диагностики плазмы. Большинство из них разработано в нашей лаборатории и даже поставляется по контрактам для других плазменных лабораторий, в том числе и зарубежных.

Литература
Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Письма в ЖТФ, 1979, т.5,с.678.
Post R.F. Nuclear Fusion, v.27, p.1579 (1987).
Мирнов В.В., Рютов Д.Д. В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез, М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1980, т.1, с.57.
A.D. Beklemishev, P.A. Bagryansky, M.S. Chaschin, El.I. Soldatkina, Vortex Confinement of Plasmas in Symmetric Mirror Traps // Fusion Science and Technology Volume 57 Number 4 May 2010 Pages 351-360
Ivanov A.A., Ryutov D.D. Nucl. Sci. and Eng., v.106, p.235 (1990).
A. Shalashov, E. Gospodchikov, O. Smolyakova, P. Bagryansky, V. Malygin, M. Thumm. Auxiliary ECR Heating System for the Gas Dynamic Trap. Physics of Plasmas, vol. 19, p. 052503 (2012)
D.V. Yakovlev, A.G. Shalashov, E.D. Gospodchikov, A.L. Solomakhin, V.Ya. Savkin and P.A. Bagryansky. Electron cyclotron plasma startup in the GDT experiment. Nucl. Fusion 57 (2017) 016033

Основные направления исследований на установке ГДЛ:
  • Исследование МГД устойчивости двухкомпонентной плазмы с высоким значением в осесимметричной магнитной ловушке, стабилизированной вихревым транспортным барьером.
  • Изучение удержания частиц и энергии в мишенной плазме при нагреве мощной атомарной инжекцией в присутствии популяции быстрых ионов. Решение данной задачи подразумевает изучение продольного удержания и исследование поперечного переноса вещества и энергии.
  • Исследование удержания быстрых ионов, их функции распределения и методов повышения относительного давления плазмы.
  • Изучение поведения нейтрального газа в процессе нагрева плазмы атомарной инжекцией, исследование влияния свойств первой стенки на баланс частиц нейтрального газа. Сюда примыкают также задачи поиска оптимального способа поддержания материального баланса частиц мишенной плазмы.
  • Исследование физических процессов в расширителе ГДЛ.
  • Изучение высокочастотных колебаний, связанных с неравновесностью функции распределения ионов.
  • Применение дополнительных методов нагрева электронов пазмы: ЭЦР нагрев и инжекция электронных пучков.
  • Равитие численных кодов для моделирования удержания двухкомпонентной плазмы в осесимметричной открытой ловушке