Свыше полувека прошло с той поры, когда в мире были начаты работы по управляемому термоядерному синтезу. Решение этой задачи должно обеспечить человечество практически безграничным источником энергии.
На первых порах казалось, что задача мирного использования синтеза легких ядер для получения энергии может быть решена достаточно быстро, тем более, что рядом был пример, когда от первого испытания атомной бомбы до создания первой атомной электростанции в Советском Союзе прошло менее четырех лет. Но с управляемым термоядерным синтезом все оказалось значительно сложнее, и путь к его осуществлению оказался гораздо длиннее, чем казалось сначала.
Для решения этой задачи требовалось создать высокотемпературную плотную плазму, длительное время её удерживать и использовать энергию происходящих в ней ядерных реакций. Для удержания плазмы было предложено использовать сильное магнитное поле. Однако уже в первых экспериментах обнаружилось, что плазма в магнитном поле ведет себя непредсказуемо и быстро теряется из ловушки. Потребовалось немало времени, чтобы разобраться с происходящими в плазме сложнейшими процессами и продвинуться на пути к созданию термоядерного реактора.
| Многопробочная ловушка ГОЛ-3 - подготовка к эксперименту в самом разгаре. |
К настоящему времени в экспериментах на тороидальных (в форме бублика - Ред.) установках типа токамак достигнут значительный прогресс в параметрах горячей плазмы, что позволило перейти непосредственно к задаче сооружения установки ИТЕР, в которой будет длительное время поддерживаться термоядерное горение плазмы на уровне мощности 500 МВт. Проект ИТЕР, безусловно, имеет громадное значение для всего человечества. Масштаб его столь велик, что реализация стала возможной только на основе широкого международного сотрудничества.
Вместе с тем, даже успешная демонстрация в ИТЕРе термоядерного горения плазмы совсем еще не означает, что термоядерные реакторы будущего будут сооружаться на основе токамаков. Параллельно в исследованиях по физике высокотемпературной плазмы было предложено использовать для ее удержания топологически отличные от токамаков открытые ловушки с магнитными пробками. Эти ловушки имеют ряд принципиальных достоинств по сравнению с токамаками. В частности, они более просты по конструкции, что может оказаться в будущем существенным аргументом в пользу их использования в качестве термоядерного реактора. Однако, еще предстоит продемонстрировать на практике возможность достижения в этих ловушках высоких параметров плазмы, которые пока еще заметно меньше требуемых. Существенный прогресс в этом направлении достигнут в последние годы на современных установках этого типа с улучшенным удержанием плазмы в Институте ядерной физики СО РАН, который был и остается одним из мировых лидеров в этом направлении исследований.
| Пультовая установки ГОЛ-3. |
Одной из таких установок является многопробочная ловушка ГОЛ-3, на которой ведутся эксперименты с плотной (до1023 м -3) плазмой. На этой установке получен ряд уникальных результатов. В частности, обнаружен эффект подавления продольной электронной теплопроводности на три порядка величины за счет развития микротурбулентности в плазме при прохождении релятивистского электронного пучка, что позволило получить в ловушке электронную температуру 4 кэВ. В многопробочной магнитной конфигурации обнаружен и получил объяснение эффект быстрого нагрева ионов до температуры 2 кэВ при плотности плазмы 1021м -3 . Достигнутые параметры позволяют моделировать физические процессы в многопробочном термоядерном реакторе. Кроме того, установка позволяет исследовать эффекты взаимодействия электронно-горячей плазмы с поверхностью в токамаках с термоядерной плазмой.
| Газодинамическая ловушка ГДЛ - прообраз мощного нейтронного источника. |
В институте была предложена и в кратчайшие сроки реализована еще одна схема современных открытых ловушек - так называемая газодинамическая плазменная ловушка (ГДЛ). Длина ГДЛ и величина магнитного поля в центре и на концах выбраны такими, чтобы эффективная длина свободного пробега ионов была меньше длины установки. В таких условиях время жизни плазмы определяется аналогично тому, как это делается при расчете потерь обычного газа через отверстие в сосуде, с чем и связано название установки. Время жизни плазмы в ГДЛ нечувствительно к возможности возбуждения в ней микрофлуктуаций, а это делает надежным предсказание результатов эксперимента и его экстраполяцию к реакторным условиям. Другое достоинство ГДЛ - возможность обеспечить гидродинамическую устойчивость плазмы в рамках осесимметричной конфигурации. Эти теоретические выводы уже подтверждены экспериментально. Газодинамическая ловушка имеет перспективы как в чисто реакторном плане, так и в качестве основы для создания материаловедческого источника термоядерных нейтронов.
| Молодые сотрудники группы ГДЛ. |
На установке ГДЛ инжекция атомарных пучков дейтерия с суммарной мощностью около 4 МВт позволяет довести давление плазмы в ловушке почти до половины давления удерживающего магнитного поля. Наблюдаемое при этом нейтронное излучение сосредоточено в основном в точках остановки быстрых дейтронов, инжектированных в ловушку под углом 45 градусов. Ведутся работы по дальнейшему увеличению мощности и длительности инжекции с тем, чтобы воспроизвести в эксперименте условия, которые будут в дейтерий-тритиевой плазме нейтронного источника с плотностью потока 14 МэВ-ных нейтронов 0.5 МВт/м 2 . Дальнейшее наращивание инжекции должно повысить плотность нейтронного потока до 2 МВт/м 2 , что требуется для испытания материалов будущего термоядерного реактора-токамака при максимальных нагрузках.
Фото В. Новикова
А. Иванов, д.ф.-м.н., ИЯФ
9 августа 2016 года в 10.40 в Институте ядерной физики СО РАН (проспект Академика Лаврентьева, д. 11, Новосибирск) состоится пресс-подход с ключевыми участниками 11-ой международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы . Они расскажут о последних результатах ведущих научных центров, занимающихся исследованиями в этой области. Например, ученые ИЯФ СО РАН разработали перспективный метод генерации плазмы при помощи мощного микроволнового излучения в крупномасштабной магнитной ловушке открытого типа (ГДЛ). Этот метод позволил успешно провести эксперименты по улучшению удержания плазмы с параметрами термоядерного диапазона. Кроме того, на установке ИЯФ СО РАН был исследован разлёт брызг жидкого вольфрама в термоядерных реакторах будущего.
Участники пресс-подхода:
1. Александр Александрович ИВАНОВ , доктор физико-математических наук, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе.
2. Александр Геннадиевич ШАЛАШОВ , доктор физико-математических наук, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
3. Йосуке НАКАШИМА , профессор, Центр плазменных исследований, Университет г. Цукуба, Япония. (Prof. Nakashima Yousuke, Plasma Research Center, University of Tsukuba, Japan)
4. Тхэхёп О , профессор, Национальный институт термоядерных исследований, г.Тэджон, Корея. (Prof. Lho Taihyeop, National Fusion Research Institute, Daejeong, Korea).
Конференция проходит раз в два года поочередно на площадках научных центров России (Новосибирск, ИЯФ СО РАН), Японии и Кореи. Основные направления, которые будут представлены - физика удержания плазмы в открытых ловушках, системы нагрева для открытых ловушек, плазменные диагностики, взаимодействие плазмы с поверхностью.
Существует несколько вариантов, на основе которых в будущем станет возможным построить термоядерный реактор - токамак, стелларатор, открытые ловушки, конфигурация с обращенным полем и другие. Сейчас наиболее развито направление токамаков, но и альтернативные системы обладают рядом достоинств: они проще технически и могут быть более привлекательны экономически как реактор. Возможно, в будущем токамак будет вытеснен или станет сосуществовать с другими типами ловушек. ИЯФ СО РАН занимается альтернативным направлением - открытыми ловушками для удержания плазмы.
Ранее считалось, что такой тип установок можно рассматривать в большей степени как инструмент изучения фундаментальных свойств плазмы, а также в качестве стендов для поддерживающих экспериментов для первого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.
Однако последние результаты - нагрев плазмы до температуры 10 миллионов градусов на открытой ловушке ГДЛ (ИЯФ СО РАН, Россия) и демонстрация квазистационарного состояния плазмы на установке С-2 (Tri Alphа Energy, США) - показали, что в альтернативных системах можно достичь гораздо более высоких параметров плазмы, чем считалось.
Наиболее крупные открытые ловушки работают в России, Японии, Китае, Южной Корее и США.
Контакты для аккредитации :
Алла Сковородина,
специалист по связям с общественностью ИЯФ СО РАН,
р.т.+7 383 329-47-55, м.т.+7 913 9354687, e-mail:
Краткая справка о типах моделей термоядерного реактора
Токамак (сокращение от «тороидальная камера магнитная»), замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора и предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы. Токамак разработан и создан для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза и создания термоядерного реактора.
Открытые ловушки - разновидность магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль магнитного поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для открытых ловушек характерна линейная геометрия, причём силовые линии магнитного поля пересекают торцевые поверхности плазмы. Открытые ловушки имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми. Они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магнитного поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, многие разновидности открытых ловушек могут работать в стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе открытых ловушек требует экспериментальных доказательств.
По материалам Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН" 1988, т. 154, с.565.
31.08.2016Пресс-служба РАН уже сообщала ранее об этом событии в новостях 09.08. и 15.08.2016 года.
Сейчас публикуются подробности этого эпохального научного достижения.
СИБИРСКИЕ ФИЗИКИ РАЗОГРЕЛИ ПЛАЗМУ
ДО 10 МЛН ГРАДУСОВ
В
ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКЕ
Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук в экспериментах на газодинамической ловушке добились устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов. Это очень существенный результат для перспектив управляемого термоядерного синтеза. Время удержания плазмы пока составляет миллисекунды.
Ученые начали рассматривать варианты создания термоядерного реактора на основе открытой ловушки.
Ученые намерены достичь приемлемых значений выхода энергии термоядерного синтеза для систем примерно 100 метров длиной. Это очень компактные системы. Термоядерный реактор на основе открытой ловушки, альтернативный ТОКАМАКУ, может быть создан в течение ближайших 20-30 лет.
Академическим ученым из Сибирского отделения РАН удалось создать горячую плазму с помощью электронно-циклотронного нагрева, что позволило отказаться от плазменных пушек и, тем самым, проводить эксперименты в более контролируемых условиях.
С уже достигнутыми параметрами плазмы такая система в частности, может использоваться для исследований в сфере материаловедения, поскольку дает большие потоки нейтронов.
Заместитель директора ИЯФ СО РАН А. Иванов отметил, что уже проведены исследования по взаимодействию плазмы со стенками реактора, получены рекордные значения плотности энергии на единицу площади. «Теперь мы знаем, как происходит эрозия пластин вольфрама», - сказал он.
Ученые считают, что разработанные в Институте прикладной физики Российской академии наук для ИЯФ СО РАН источники излучения - гиротроны будут перспективны для нагрева, что позволит достичь более высоких параметров плазмы.
Ранее в ИЯФ СО РАН заявляли о планах создания прототипа термоядерного реактора. Предполагается, что ИЯФ СО РАН разработает технический проект и технико-экономическое обоснование установки, после чего наступит этап переговоров с потенциальными партнерами из других стран.
Как сообщалось, разработка прототипа термоядерного реактора на основе газодинамической «многопробочной» ловушки ведется в рамках гранта Российского научного фонда. Продолжительность реализации программы - 2014-2018 годы, объем финансирования проекта за счет средств Российского научного фонда - 650 млн рублей.
Ранее ученые ИЯФ СО РАН получили рекордную температуру в 4,5 млн градусов (400 электрон-вольт) в газодинамической ловушке (ГДЛ), которая используется для удержания горячей плазмы в магнитном поле, в 2014 году эту температуру удалось повысить до 9 млн градусов.
НАГРЕВ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ДО 10 МИЛЛИОНОВ ГРАДУСОВ
На установке ГДЛ (рис. 1) была проведена серия успешных эксперимен-тов по электронно-циклотронному резонансному (ЭЦР) нагреву плазмы. Цель эксперимента заключалась в отработке сценария комбинированного нагрева плазмы нейтральными пучками (НИ) мощностью 5 МВт и ЭЦР нагрева мощ-ностью до 0,7 МВт, исследовании физических механизмов наблюдающейся при таком нагреве магнитогидродинамической неустойчивости плазмы и по-иске способов ее подавления.
Система ЭЦР нагрева на установке ГДЛ состоит из двух импульсных ги-ротронов с частотой 54,5 ГГц и измеренной на входе в плазму мощностью 300 и 400 кВт. Каждый из гиротронов запитан от специально разработанных высо-ковольтных источников питания, формирующих прямоугольный импульс вы-соковольтного напряжения амплитудой 70 кВ (при стабильности не хуже 0,5%), током до 25 А, длительностью до 3 мс. Излучение гиротронов подво-дится по отдельным закрытым квазиоптическим линиям и вводится в вакуум-ную камеру в окрестности двух магнитных пробок как показано на рис. 3.
Для создания оптимальных условий для ЭЦР нагрева требуется повыше-ние магнитного поля в отдельных катушках, расположенных вокруг области поглощения. Дополнительный ток, необходимый для реализации эффективно-го поглощения на противоположных концах ловушки, был получен за счет снижения магнитного поля в основном теле ловушки (с 0,35 до 0,27 Т в центре установки). Такое возмущение магнитной конфигурации привело к суще-ственному ухудшению удержания плазмы, в частности без ЭЦР нагрева тем-пература электронов снизилась с 250 эВ до 150 эВ.
В такой магнитной конфигурации было оптимизированы два сценария ЭЦР нагрева. Первый сценарий оптимизировался для повышения времени жизни горячих ионов, получающихся при захвате плазмой нагревных нейтральных пучков. Этот режим характеризовался поглощением излучения гиротронов почти по всему сечению плазмы, что приводило к увеличению температуры электронов во всём объёме плазмы.
Так как время жизни горячих ионов пропорционально температуре элек-тронов в степени 3/2, при ЭЦР нагреве значительно возрастало энергосодер-жание плазмы и поток нейтронов D-D синтеза, получающихся при столкнове-ниях между горячими ионами (рис. 4). Стабильный разряд в этом режиме уда-лось получить при мощности ЭЦР нагрева не превышающей 400 кВт. Элек-тронная температура на оси ГДЛ достигала 200 эВ.
Второй сценарий оптимизировался для получения максимальной элек-тронной температуры. В этом режиме основная часть СВЧ мощности, захва-ченной плазмой, поглощалась в узкой приосевой области. Поэтому при вклю-чении гиротронов за несколько сотен микросекунд формировался разряд с центральной температурой до 1 кэВ (рис. 5). Несмотря на то, что радиальный профиль температуры был сильно пикированным, баланс энергии показал, что удержание плазмы в приосевой зоне происходит в газодинамическом режиме, радиальный транспорт и классическая продольная (спитцеровская) электрон-ная теплопроводность при этом сильно подавлены. Измерения методом том-соновского рассеяния показали, что энергия перераспределяется между тепло-выми электронами, то есть речь идет именно об электронной температуре, а не об энергии, запасенной в «хвосте» энергичных электронов. В ходе этих экспе-риментов на установке ГДЛ была достигнута рекордная для открытых систем электронная температура в квазистационарном (-1 мс) разряде, при этом впервые параметры плазмы приблизились к значениям, сопоставимым с торо-идальными системами.
Это обстоятельство позволило нам сделать вывод о хороших перспекти-вах для термоядерных приложений на базе открытых ловушек. Для сравнения на рис. 6 приведен график, отражающий прогресс увеличения электронной температуры в экспериментах на установке ГДЛ за 25 лет существования установки.
Резкое и значительное увеличение электронной температуры при вклю-чении ЭЦР нагрева приводит к развитию МГД неустойчивости плазмы желоб-кового типа. Для подавления этой неустойчивости в стандартном разряде ГДЛ (без ЭЦР нагрева) используется метод «вихревого удержания». Он заключает-ся в том, что к периферии плазмы прикладывается постоянный электрический потенциал, заставляющий её вращаться в скрещенных электрическом и маг-нитном полях. Для эффективного подавления поперечных потерь при разви-тии желобковой неустойчивости прикладываемый радиальный потенциал должен быть сопоставим с температурой электронов. При сильном увеличе-нии температуры плазмы при ЭЦР нагреве это условие может нарушаться. Для решения этой проблемы был применён метод ступенчатого повышения радиального потенциала, отслеживающий увеличение температуры при вклю-чении ЭЦР нагрева. В результате удалось реализовать относительно устойчивый ЭЦР нагрев плазмы мощностью 700 кВт в течение времени, сопоставимо-го с полной длительностью разряда в установке.
Демонстрация разряда с рекордно высокой электронной температурой стала возможной за счет выработки оптимальных сценариев ЭЦ нагрева плаз-мы необыкновенной волной на первой гармонике в основном объеме ловушки. Этот результат дает надежную основу для создания реакторов ядерного синте-за на базе открытых ловушек, имеющих простейшую с инженерной точки зре-ния осесимметричную конфигурацию магнитного поля. Ближайшим приложе-нием таких реакторов может быть мощный источник нейтронов от реакции синтеза ядер дейтерия и трития, который необходим для решения ряда задач термоядерного материаловедения, а также управления подкритичными ядер-ными реакторами, включая устройства для уничтожения радиоактивных отхо-дов. Дальнейшее развитие этого подхода даст возможность рассматривать со-здание на основе открытых ловушек «чистого» термоядерного реактора, ис-пользующего малонейтронные или безнейтронные реакции синтеза.
Эксперименты на установке ГОЛ-3 по улучшению продольного удержания в отрытой ловушке
Полученные в результате многолетней работы параметры плазмы в уста-новке и появившиеся новые представления позволяют оценивать перспективы данной схемы удержания высокотемпературной плазмы гораздо более опти-мистично, чем это было до начала работ на ГОЛ-3 (рис. 2). Главным выводом является то, что основные процессы происходят на фоне достаточно высокого уровня турбулентности плазмы. Обнаружен новый тип неустойчивости в кон-цевых ячейках многопробочной ловушки, приводящий к более эффективному обмену между группами пролётных и запертых частиц в условиях малой плотности плазмы вблизи торцов.
Учёные Института ядерной физики (ИЯФ) добились устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов Цельсия, сообщил НСН заместитель директора ИЯФ по научной работе Александр Иванов . Учёный рассказал, какие перспективы открывает данная разработка и почему она в принципе исключает появление радиоактивных отходов.
- ИЯФ начал рассматривать варианты создания термоядерной системы на основе открытой ловушки. Что это означает?
Если речь идёт о нагреве плазмы в 10 млн градусов, нужно помнить, что эта температура выше, чем в центре Солнца. Естественно, такую горячую плазму нельзя удерживать в каком-то сосуде с материальными стенками – даже если они будут очень толстыми, они всё равно сгорят. Чтобы этого избежать, то есть удержать горячую плазму, есть по меньшей мере два способа.
Первый - когда плазма помещается в сильное тороидальное магнитное поле, которое меняет траекторию частиц плазмы, после чего они начинают двигаться по кружкам, наматывающимся на силовые линии магнитного поля. При этом поперёк магнитного поля плазма не перемещается, не создавая никакого теплового потока. На этом принципе основаны установки токамак, которые имеют вид «бублика» с магнитным полем внутри, предложенные у нас в стране для магнитного удержания плазмы для проведения управляемого термоядерного синтеза. В гонке идей, как создать Солнце на Земле, сейчас лидируют именно эти установки.
Существует и другая система. Упрощённо говоря, это длинная открытая ловушка труба с продольным магнитным полем, где плазма удерживается от контакта со стенкой, но относительно свободно растекается вдоль и попадает на торцевые стенки. В этих ловушках мы научились делать так, что потери тепла вдоль магнитного поля очень сильно уменьшаются по сравнению со свободным разлётом плазмы.
- Как далеко мы находимся до создания термоядерного реактора?
Есть реакторы, принцип действия которых построен на токамаках, есть – на открытых ловушках, а существуют и, например, импульсные системы, когда лазером поджигают капельку тритий-дейтериевого топлива, и она сгорает за миллионные доли секунды, давая энергию.
Что касается токамаков, через 10 лет во Франции будет запущен большой реактор ИТЭР – циклопическое сооружение большой сложности, где будет продемонстрировано термоядерное горение плазмы. При этом температура там примерно в 10 раз больше, чем на данный момент мы можем получить сейчас на открытых ловушках.
Но, тем не менее, при температуре в 10 млн градусов можно сделать очень полезные вещи – в частности, очень мощный источник нейтронов, который нужен, например, для испытания материалов будущего термоядерного реактора. (То есть стенки токамаков в ходе испытаний будут подвергаться очень мощному потоку нейтронов, и учёные, таким образом, смогут полностью смоделировать ситуацию.) Также нейтронные источники могут использоваться в качестве драйверов для подкритических реакторов деления – они вставляются внутрь системы ядерного реактора, работающего с коэффициентом усиления меньше единицы. Это сильно повышает безопасность работы подкритической системы, что в принципе исключает возможность аварий по типу чернобыльской.
- Каким же прорывом «чревато» ваше достижение?
Сейчас мы российские специалисты-ядерщики достигли такого уровня, при котором можно начинать проектирование прототипов таких мощных источников нейтронов. Если же смотреть с прицелом на более дальнюю перспективу, я не вижу ограничений, чтобы не увеличить температуру нагрева плазмы не до 10 млн, а, скажем, до 300 млн градусов.
Исходя из этого посыла, мы в ИЯФ рассматриваем возможности для создания следующих поколения ловушек, параметры которых будут существенно увеличены. И будем серьёзно думать над созданием альтернативного ИТЭР реактора. Если это все получится, наш термоядерный реактор на основе открытой ловушки возможно будет даже коммерчески гораздо более привлекательным, чем таковой на основе токамаков, и создаваемое во Франции сооружение не может соревноваться с ним по технической простоте.
Сейчас мы достигли такого уровня, при котором можно начинать проектирование прототипов таких мощных источников нейтронов. Если же смотреть с прицелом на более дальнюю перспективу, я не вижу ограничений, чтобы не увеличить температуру нагрева плазмы не до 10 млн, а, скажем, до 300 млн градусов.
Исходя из этого посыла, мы в ИЯФ рассматриваем возможности для создания следующих поколения ловушек, параметры которых будут существенно увеличены. И будем серьёзно думать над созданием альтернативного реактора. Если всё получится, термоядерный реактор на основе открытой ловушки, возможно, будет даже коммерчески более привлекательным, чем таковой на основе токамаков.
- Реакторы на основе открытой ловушки… в чём ещё они предпочтительнее токамаков?
Мы надеемся, что появление реакторов на основе открытой ловушки, над которыми мы сейчас работаем, при определённом развитии будут возможным. Они имеют определенные достоинства по сравнению с токамаками. Не в последнюю очередь я имею в виду возможность работы на термоядерном топливе, которое либо совсем не даёт нейтронов, либо даёт их совсем мало, что не чревато проблемой длительного хранения и захоронения радиоактивных отходов.
Отметим, ИЯФ уже сообщал о планах разработки альтернативного ИТЭР реактора. Окончательно оформить технико-экономические основания для проекта прототипа альтернативного реактора с условным названием ГДМЛ (газодинамическая ловушка) институт планирует в рамках программы Института с финансированием Российского научного фонда, которая рассчитана до 2018 года.
Физические основы проекта термоядерного реактора на основе открытой ловушки
Институт ядерной физики им. СО РАН, Новосибирск, РФ, *****@***ru
*Новосибирский Государственный Университет, Новосибирск, РФ
**Новосибирский Государственный Технический Университет, Новосибирск, РФ
В связи с развитием нового вида открытых осесимметричных ловушек с плотной плазмой и многопробочным подавлением продольных потерь (ГДМЛ, ) большой интерес представляют оценки того, как мог бы выглядеть термоядерный реактор на их основе. В частности, нужно оценить, можно ли в нём достичь зажигания, с какими топливными циклами он мог бы работать и при каких условиях, его размеры, мощность, и другие характеристики в сравнении с характеристиками реактора-токамака типа ИТЕР. Такие оценки позволят определить направление развития, при котором открытые ловушки сохранят конкурентоспособность по сравнению с токамаками в качестве термоядерного реактора. Второй целью этой работы является обзор физических и инженерных проблем, связанных с удержанием плазмы в ловушках разных типов, и того, как они решаются в системах типа ГДМЛ.
В обзоре показано, что ловушку можно рассматривать как состоящую из двух подсистем – центральной активной зоны и систем подавления продольных потерь по краям. Центральная активная зона должна представлять собой длинный пробкотрон с квази-однородным полем и небольшим пробочным отношением порядка 1.5. Это связано с тем, что повышать удерживающее магнитное поле, а, следовательно, плотность плазмы, оказывается гораздо выгоднее, чем повышать пробочное отношение. В то же время максимально достижимое поле ограничено техническими возможностями сверхпроводников. Снизу магнитное пробочное отношение ограничено требованием удержания большинства заряженных продуктов реакций. Как показано в работах группы ГДЛ, в такой магнитной конфигурации можно удерживать плазму с высоким b~0.6, с низкими поперечными потерями. Активная зона может быть закрыта двумя видами системы подавления продольных потерь – амбиполярной и многопробочной, причём эти принципы могут быть совмещены в одном устройстве. При этом удержание горячей электронной компоненты в любом случае производится электростатическим потенциалом, а холодные электроны с торцевых пластин запираются в расширителях потенциалом Юшманова. Этот метод также опробирован на установке ГДЛ. Дополнительно могут использоваться термобарьеры. Рассмотрена сравнительная эффективность различных систем продольного удержания. Поперечные потери в оптимальной конфигурации должны составлять половину полных потерь. С таким условием при оптимизации системы по полной длине они будут влиять только на радиус плазмы и мощность реактора. Рассмотрены условия зажигания и стационарного горения (с учётом изменения состава плазмы из-за накопления продуктов горения) в реакторах на основе описанной схемы с топливными циклами D-T, D-D и D-He3. Границы зажигания и горения получены в терминах комбинации bBm2kL от температуры, где Bm - максимальное магнитное поле (в первой пробке), k – коэффициент подавления концевой системы, L – длина активной зоны. Получены оценки размеров и мощности реактора при существующих технических ограничениях и скейлингах. Минимальная мощность D-T реактора на основе открытой ловушки и его стоимость могут быть на порядок ниже чем для систем типа ИТЕР.
Литература
Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. et al. in Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Fission", AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, p. 147
