Физикам удалось увеличить плотность плазмы и замедлить ее истечение в установке СМОЛА
- 03.02.2023
Исследования в области управляемого термоядерного синтеза проводятся на экспериментальных установках, в основе которых лежат различные системы магнитного удержания. Цель у них одна – добиться нужных для термоядерного синтеза температуры, плотности и времени удержания плазмы. В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) проводят исследования на нескольких экспериментальных установках открытого типа, одна из которых – открытая ловушка со спиральным магнитным удержанием СМОЛА. На ней специалисты ИЯФ СО РАН улучшили параметры удержания плазмы, снизив поток истечения вещества в десять раз, а также повысили плотность плазмы в 1,5 раза. Ученые опубликовали две научные статьи с результатами в журнале Journal of Plasma Physics. Одна из статей попала на обложку.
Один из наиболее известных международных проектов экспериментальных термоядерных ректоров – ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор, Франция), основан на магнитной ловушке замкнутого типа – токамаке. Установки термоядерного синтеза могут быть основаны и на других типах замкнутых и открытых магнитных ловушек. Мировым лидером в разработке и исследованиях магнитных ловушек открытого типа является ИЯФ СО РАН.
Плазма в ловушке. Фото А. Судникова.
Одно из преимуществ открытых систем в том, что на них, в отличие от токамаков, можно достичь высокого параметра отношения давления плазмы к давлению магнитного поля (β). Специалисты ИЯФ СО РАН уже смогли достичь параметра β, равного 0,6 и теперь стремятся добраться до единицы. Но простые по геометрии открытые магнитные ловушки, похожие на бутылку с двумя горлышками, предполагают сильное истечение вещества в концевых отверстиях. Для решения задачи подавления продольных потерь ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН А. Д. Беклемишев разработал новую теорию, в которой описывается удержание плазмы при помощи магнитного поля с винтовой симметрией. Для проверки этой теории в ИЯФ СО РАН была разработана и построена экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка).
«Силовые линии магнитного поля в открытых ловушках не замкнуты, как, например, в токамаках, поэтому плазма в них удерживается только в середине установки, а на концах может вытекать – рассказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Судников. – Чтобы снизить истечение в “горлышках” открытых ловушек ставят магнитные пробки, то есть усиливают магнитное поле. СМОЛА отличается от остальных открытых ловушек тем, что на одном конце вместо обычной магнитной пробки мы установили пробку винтовую. Именно винтовое магнитное поле должно “затаскивать” истекающую плазму обратно в центр ловушки».
Недавние эксперименты на установке СМОЛА подтвердили теоретические работы. В сильном винтовом магнитном поле специалисты снизили поток вытекающей плазмы настолько, что уже не могли его зарегистрировать. Повысить качество экспериментов удалось благодаря модификации источника плазмы в установке и точному подбору всех необходимых параметров, таких как конфигурация магнитного поля, подаваемое напряжение, давление и др.
«Теория предсказывает, что при наличии винтового поля удержание плазмы должно усиливаться. Что мы и пронаблюдали в эксперименте, – пояснил Антон Судников. – Без винтового поля из установки вытекало около 2·1020 ионов в секунду, а при его включении стало вытекать в десять раз меньше. Поток стал таким маленьким, что мы уже не могли его четко зарегистрировать. Но самый важный результат наших экспериментов, благодаря которому наша статья попала на обложку журнала, в том, что при добавлении винтового поля плотность плазмы вырастает в 1,5 раза. Зависимость проста: чем лучше удерживается плазма в ловушке, тем плотнее она становится, тем в целом эффективнее работает вся наша многопробочная система с винтовым удержанием».
Магнитная ловушка с винтовым удержанием СМОЛА. Фото Т. Морозовой.
Благодаря полученным результатам ученые смогли двинуться дальше в изучении управляемого термоядерного синтеза. Так, например, при термоядерных параметрах плазмы для ее эффективного удержания в многопробочной ловушке необходимо, чтобы ионы сталкивались и рассеивались чаще. Но при полезных термоядерных параметрах этого как раз не происходит – ион рассеивается на других ионах слишком редко и может пролететь ловушку насквозь, тогда даже винтовое поле не затянет его обратно.
«При термоядерных параметрах плотность плазмы умеренная (ненамного выше, чем у нас), а вот температура значительно выше – объяснил Антон Судников. – В таких условиях ионы, которые должны рассеиваться достаточно часто, летят друг мимо друга слишком быстро и не успевают этого сделать. Длина свободного пробега, то есть расстояние, которое ион пролетает до того, как рассеяться и потерять свое направление движения, становится намного больше – около 300 метров. Делать винт с оборотом в 300 метров – задача сложная и ненужная. Лучше добиться того, чтобы при термоядерных параметрах, когда плазма горячая и рассеяние частиц друг на друге слабое, что-то заставляло ионы рассеиваться. В экспериментах мы поработали и с плазмой с низкой плотностью. Очень аккуратно, используя большое количество диагностик, мы измерили, каковы будут потери вещества при снижении его плотности. Результаты оказались лучше, чем в теории — винтовое удержание хорошо показало себя и в области низкой плотности».
В условиях удержания, когда винтовое поле не дает плазме вытечь, часть улетающих ионов захватывается вблизи выхода и затягивается магнитным полем обратно в центральную область плазмы, а другая часть все-таки вырывается из зоны удержания и летит к выходу. Когда разнонаправленные ионы летят мимо друг друга с достаточно большой скоростью, начинают появляться колебания поля, так называемые неустойчивости.
«Колебания электрических потенциалов в плазме забирают в себя энергию от движения ионов и перекачивают ее в энергию электрического поля. Переменное электрическое поле начинает ускорять ионы в том или ином направлении, то есть, колебания электрического поля сами начинают рассеивать ионы – что нам как раз и нужно. Получилось, что мы захватили ионы, они сами по себе сгенерировали электрическое поле, которое начало их рассеивать, обеспечивая их удержание. Стоит отметить, что в экспериментах на установке ГОЛ-3 (Гофрированная открытая ловушка, ИЯФ СО РАН) такие неустойчивости в свое время тоже возникали, но происходило это благодаря инжекции электронного пучка с мощностью 30 гигаватт. Мы же добились эффекта дополнительного рассеяния ионов без внешних усилий. Ионы сами раскачивают неустойчивость, которая в дальнейшем обеспечивает хороший их захват, соответственно повышается эффективность многопробочного удержания».
Плазма в ловушке. Фото А. Судникова.
Следующий крупный шаг ИЯФ СО РАН в направлении УТС – создание установки для 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.
«Буква “М” в ГДМЛ означает, что ловушка будет многопробочной. В базовом варианте – это просто магнитное поле с “перетяжками” из магнитных пробок. Но если применить в этом проекте все новые достижения науки, то можно на концах ГДМЛ добавить по винтовой пробке, как на СМОЛЕ. Результаты наших экспериментов позволяют надеяться, что винтовые секции сделают ГДМЛ более эффективной. Размер и сложность установки останутся теми же, но мы повысим плотность и улучшим качество удержания и, соответственно, окажемся ближе к тем термоядерным параметрам, которые нам нужны», – добавил ученый.