Физики измерили поперечные потери в магнитной ловушке открытого типа при помощи новой диагностической системы
- 20.03.2025
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали диагностическую систему, которая способна с высокой точностью измерять потери энергии из открытых магнитных систем, использующихся для удержания плазмы в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Исследования проводились на установке ГДЛ (Газодинамическая ловушка) и показали, что от 20 до 40% энергии, захваченной в плазму, теряется поперек магнитного поля. Следующая задача физиков состоит в том, чтобы научиться с ними бороться – идеи уже есть. Результаты опубликованы в журнале Journal of Plasma Physics.
Установка ГДЛ и еще три открытые ловушки – КОТ (Компактный осесимметричный тороид), ГОЛ-NB (Гофрированная ловушка - Neutral beams) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка) входят в уникальный исследовательский комплекс «Длинные открытые ловушки» (ДОЛ) ИЯФ СО РАН. В настоящий момент на них отрабатываются технологии, которые будут использованы при создании установки нового поколения ГДМЛ (Газодинамическая многопробочная ловушка). Это магистральный проект по физике плазмы ИЯФ СО РАН. Планируется, что ГДМЛ продемонстрирует возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа. Недавняя серия экспериментов на установке ГДЛ была посвящена изучению энергобаланса в установке.
Схема ГДЛ с отмеченными диагностическими системами. Предоставлено Е. Солдаткиной.
«Когда говорят про потери плазмы из магнитных ловушек, будь то закрытая (токамак, стеллартор) или открытая магнитная система, подразумевают энергоэффективность будущего термоядерного реактора, – прокомментировала заведующая лабораторией ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Елена Солдаткина. – Ты либо можешь контролировать потери энергии, либо нет. В этом отношении к отрытым ловушкам на заре их развития было много претензий, мол, если у вас “бутылка с двумя горлышками”, то продольные потери неизбежны. Со временем выяснилось, что все не так плохо и в открытой ловушке вдоль магнитного поля электрический потенциал выстраивается таким образом, что продольные потери очень заметно снижаются. Но все равно вопрос энергобаланса всегда был и остается ключевым. Сколько энергии ты вложил в систему, сколько из нее потерял, сколько ее осталось на эффективное использование – все это необходимо знать, чтобы двигаться дальше».
Для того чтобы оценить энергоэффективность установки ГДЛ, с высокой точностью измерить, сколько и где теряется энергии, специалисты создали современный диагностический комплекс.
«Стоит сказать, что такую задачу ставили наши коллеги еще в 90-е г., когда ГДЛ была запущена, – добавила Елена Солдаткина. – Но сейчас мы полностью обновили диагностические устройства, чтобы они соответствовали современным параметрам плазмы. В 2024 г. нам удалось свести воедино энергобаланс ГДЛ. Мы учли энергетические потери от вытекания плазмы через пробки ловушки, от перезарядки ионов плазмы на остаточном газе (поперечных потерь), от излучения энергии атомами, от контакта внешних слоев плазмы с радиальными электродами. Суммарно в перечисленных каналах энергопотерь измерено около 80% захваченной в плазму мощности. Еще не 100%, но и это очень хороший результат».
По словам специалиста, самым важным для исследователей было изучение канала поперечных потерь, так как до внедрения новой диагностики было неизвестно, какое количество энергии пропадает в этой области.
«Когда плазма перезаряжается на остаточном газе, она теряется поперек магнитного поля, этот процесс и называется поперечными потерями, – пояснила Елена Солдаткина. – Мы создали новую диагностическую систему, основанную на пироэлектриках, которая измеряет этот паразитный эффект. Оказалось, что в этом канале теряется до 40% энергии. На данном этапе главный результат именно в том, что мы смогли оценить эти потери. Раньше мы просто не знали, большие они или маленькие, а теперь, установив 25 датчиков вдоль камеры установки и заставив их работать одновременно, измерили эту энергию, и оказалось, что она немаленькая. Таким образом мы и приблизились к суммарным 80%».
Созданную в ИЯФ СО РАН диагностику на основе пироэлектриков уже повторили коллеги, работающие на открытых ловушках с похожими временными импульсами, например, из Wisconsin Plasma Physics Laboratory (США) и «TAE Technologies, Inc.» (США). Теперь задача российских физиков состоит в том, чтобы понять, как минимизировать канал поперечных потерь в плазме на установке ГДЛ, и использовать эту исчезающую в никуда энергию для нагрева плазмы.
«В нашей лаборатории разработан прототип пушки Маршалла, которая будет подпитывать плазму не холодным газом, как это происходит в нынешних экспериментах, а холодной плазмой, – объяснила Елена Солдаткина. – Планируется, что таким образом мы сможем сильно подавить поперечный канал потерь, оставив эти 40% энергии внутри плазмы. И как только красная линия на графике (содержание энергии в плазме) сойдется с зеленой линией (вся энергия в установке), термоядерный реактор станет гораздо ближе – не на нашей ГДЛ, конечно, а в будущих проектах. Когда мы будем точно знать, что потери энергии нам подконтрольны, тогда можно строить ГДМЛ. В данный момент мы работаем над тем, чтобы пушка Маршалла могла работать не в однократном, а в многоимпульсном режиме – эксперименты только начинаются».
Работа выполняется в рамках государственного задания FWGM-2025-0041 «Развитие методов удержания плазмы в осесимметричных открытых ловушках».
График измеренных в эксперименте потоков мощности. Зеленая линия – захваченная в плазму мощность, синяя линия – потери через магнитные пробки, желтая линия – поперечные потери, красная линия – мощность, накопленная в популяции горячих ионов (то есть в плазме), черная линия – суммарная мощность измеренных потерь. Предоставлено Е. Солдаткиной.