Физики рассчитали, как стабилизировать один из самых опасных видов неустойчивостей плазмы
- 28.12.2022
Одна из задач управляемого термоядерного синтеза (УТС) – достижение в различных видах магнитных ловушек, которые удерживают плазму, параметра β (бета), равного единице. Параметр бета определяет отношение давления плазмы к давлению магнитного поля. Его увеличение до единицы позволит многократно повысить выход термоядерной реакции, что приблизит человечество к мечте о термоядерной энергетике. Мешает этому различные неустойчивости, которые развиваются в плазме даже при параметре бета, равном нулю. За время работы в области УТС ученые научились подавлять некоторые из этих неустойчивостей и стабилизировать ионизированное вещество. В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) специалисты провели расчеты, которые позволят стабилизировать один из самых опасных видов неустойчивостей – баллонную. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Fusion.
Один из наиболее известных международных проектов экспериментальных термоядерных ректоров – ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор, Франция), в котором также принимает участие Россия и ИЯФ СО РАН, основан на магнитной ловушке замкнутого типа – токамаке. Также в основе создания подобных установок могут лежать и другие магнитные системы, например, стеллараторы или пробкотроны (открытые ловушки). Мировым лидером в разработке и исследованиях магнитных ловушек открытого типа является ИЯФ СО РАН. Открытые ловушки не менее перспективные и обладают рядом достоинств, например, на них специалисты Института уже смогли достичь параметра β, равного 0,6. Исследования в области УТС в ИЯФ СО РАН проводятся на экспериментальных установках Уникального научного комплекса «ДОЛ» (Длинные открытые ловушки). В него входят ГДЛ (Газодинамическая ловушка), ГОЛ-3 (Гофрированная ловушка), ГОЛ-NB (ГОЛ-Neutral Beams), СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка) и КОТ (Компактный осесимметричный тороид).
«Нам хочется получить параметр бета как можно ближе к единице. В этом случае мы сможем увеличивать плотность и температуру плазмы, а значит повышать выход термоядерной реакции, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Котельников. – Есть много причин, почему бета меньше единицы – все это разного рода неустойчивости, колебания. Сначала наиболее опасной была желобковая неустойчивость, которая развивается при нулевом параметре бета. Обнаружили ее в 50-х г. XX в. и, конечно, за много лет научились подавлять. Параметр бета вырос – на ГДЛ мы достигли 0,6. Позднее ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Беклемишев предложил концепцию диамагнитной ловушки, которая основана на допущении, что значение бета, равное единице, в принципе достижимо. Возник вопрос, а можно ли достигнуть такое значение? Сейчас мы занимаемся баллонной неустойчивостью – это один из видов магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, которые на данный момент являются самыми опасными, так как быстро развиваются и имеют грубые последствия».
Баллонная неустойчивость похожа на пузырь, который появляется при накачивании велосипедной камеры, в той области, где резина тоньше. Если баллонное колебание (баллонная мода) мелкомасштабное, то при определенных условиях в магнитном поле оно будет подавлено эффектом конечного ларморовского радиуса (КЛР-эффект), то есть это произойдет по законам физики и без вмешательства ученых.
«КЛР-эффект – это такой подарок природы для нас, потому что в открытых магнитных системах все необходимые условия для него есть, и он отлично справляется с мелкомасштабными баллонными модами, – пояснил Игорь Котельников. Но такие эффекты не могут подавить самую крупномасштабную баллонную моду, с азимутальным числом, равным единице. Наши последние расчеты показали, как ее можно подавить. Мы вывели уравнение, которое позволяет находить условия устойчивости этой баллонной моды с азимутальным числом m=1 и разработали программу на языке Wolfram Language, которая позволила просчитать различные способы стабилизации моды для разных профилей радиального давления, разных профилей аксиального магнитного поля, в зависимости от величины зазора между плазмой и проводящей стенкой, а также формы проводящей стенки. Перебор этого большого количества вариантов позволил найти условия, когда можно стабилизировать баллонную неустойчивость при всех бета от ноля до единицы. Теперь эти теоретические расчеты нужно проверить экспериментально, и если все подтвердится, то тогда мы сможем подобраться к параметру бета, равному единице».
Наиболее амбициозная цель научных исследований ИЯФ СО РАН в направлении УТС – создание Инфраструктурного комплекса разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы ГДМЛ (Газодинамическая магнитная ловушка). Планируется, что ГДМЛ продемонстрирует возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа.
На графике изображены границы зон устойчивости плазмы при совместном использовании концевых МГД-стабилизаторов и боковой проводящей стенки в виде прямого цилиндра. Нижняя зона устойчивости (ниже нижней ветви кривой) создаётся концевым МГД-стабилизатором. Верхняя зона устойчивости (выше верхней ветви кривой) создаётся боковой стенкой. По горизонтальной оси отложено отношение радиуса стенки (rw) к радиусу плазмы (a0) в центре ловушки. Кривые разного цвета соответствуют разным радиальным профилям давления с разным индексом k. Цвет кривой соответствует значению k. Например, k=1 – самый гладкий профиль, k= бесконечность – самый крутой профиль, в виде ступеньки (модель плазмы с резкой границей). Заштрихована зона устойчивости в наихудшем случае плазмы с радиальным профилем в виде ступеньки. Предоставлено И. Котельниковым.