Z Модернизированный токамак Глобус-М2 заработает в 2018 году

Настройки отображения

Размер шрифта:
Цвета сайта
Изображения

Параметры

Ученые из Физико-технического института (ФТИ) им. А.Ф. Иоффе РАН при участии специалистов Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН завершают модернизацию сферического токамака Глобус-М (в дальнейшем – Глобус М2) - установка станет одним из лидеров по удельной мощности нагрева плазмы. Таким образом, появляется возможность испытать аппаратуру для международного экспериментального реактора ИТЭР. Результаты опубликованыв журнале Nuclear Fusion.

«Глобус-М/М2» — уникальный исследовательский комплекс, который работает в ФТИ им. А.Ф.Иоффе и входит в тройку лидеров среди сферических токамаков, предназначенных для изучения поведения плазмы в лабораторных условиях.  «Цель модернизации установки - увеличить в 2-2,5 раза магнитное поле (с 0,4 Тл до 1 Тл) и ток, протекающий через плазму (с 0,25 до 0,5 МА). Для получения таких значений необходимо создать новую электромагнитную систему, а также модернизировать источники питания для неё и дооснастить диагностические комплексы и системы дополнительного нагрева установки. Для увеличения нагрева плазмы в дополнение к уже работающему инжектору (мощность – до 1 МВт, энергия – 30 кэВ) был закуплен новый, разработанный специалистами ИЯФ СО РАН (мощность - 1 МВт, энергия – 50 кэВ). При одновременном включении двух инжекторов суммарная мощность нагрева возрастет до двух мегаватт. Такое увеличение параметров приведет к существенному — в несколько раз — росту температуры и давления плазмы», — комментирует доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Василий Гусев, руководитель установки «Глобус-М».

3D модель токамака Глобус М2 в разрезе

3D модель токамака Глобус-М2 в разрезе

Плазма. Проблема нагрева и удержания. Токамаки.  Для запуска реакции термоядерного синтеза необходимо преодолеть силу электростатического отталкивания атомных ядер и сблизить их настолько, чтобы начали действовать силы ядерного притяжения. Плазму (высокоионизованный газ) нужно нагреть до очень высоких температур – 100 миллионов градусов и выше, - при этом ее плотность также должна быть достаточно высокой, не менее 1015 частиц/см3. В этом случае энергия, выделившаяся в результате термоядерной реакции, будет больше, чем та, что тратится на ее создание. Плазма в таком состоянии очень нестабильна, и нужно подобрать подходящий режим работы, чтобы ее удержать. Эту проблему призваны решить экспериментальные термоядерные установки. Самый распространенный вариант – токамак – представляет собой тороидальную вакуумную камеру, снаружи которой установлены катушки с током для создания магнитного поля. Оно необходимо для удержания горячей плазмы. В центре токамака находится индуктор, с его помощью создается вихревое электрическое поле, которое ионизует напускаемый в камеру рабочий газ (дейтерий и тритий), что приводит к возникновению плазмы и кольцевого тока в ней. Протекая по плазме, этот ток вызывает ее нагрев. 

Новый инжектор нейтральных пучков производства ИЯФ СО РАН

Новый инжектор нейтральных пучков производства ИЯФ СО РАН

Инжектор. Дополнительный источник нагрева плазмы. Нагреть плазму до указанных температур только за счет протекающего по ней тока не удается – требуются дополнительные источники поддержания и нагрева. Один из таких источников – инжектор атомарных пучков большой энергии и мощности. О принципах его работы рассказывает кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Игорь Шиховцев: «В ионном источнике инжектора создается водородная или дейтериевая плазма, из которой извлекается и ускоряется пучок протонов или дейтронов при помощи ионно-оптической системы. Далее пучок попадает в нейтрализатор, где бо́льшая его часть превращается в атомы в результате столкновений с газом (водородом или дейтерием). Оставшаяся на выходе из нейтрализатора ионная компонента отклоняется магнитом и направляется в приемник ионов, а основной атомарный пучок свободно проникает в токамак через магнитное поле удерживающее плазму. В результате взаимодействия с плазмой пучок ионизируется, захватывается магнитным полем, тормозится и передает свою энергию плазме».

 Пучок электронов в вакуумной камере инжектора

Пучок электронов в вакуумной камере инжектора

Исследования. Перспективы для реактора ИТЭР. Данные, полученные на современных токамаках по всему миру, позволяют существенно улучшить понимание фундаментальных процессов и подготовить базу для создания термоядерного реактора. «В результате модернизации токамака Глобус-М существенно возрастут температура и плотность плазмы, а, следовательно, увеличится и радиационная нагрузка на внутреннюю поверхность разрядной камеры. Таким образом, появляется возможность воспроизводить условия, близкие к тем, что будут в пристеночной области реактора ИТЭР, запуск первой плазмы в котором планируется в 2025 году. ФТИ им. А.Ф. Иоффе отвечает за разработку трех диагностических систем для этой установки. При этом, аппаратуру для нее можно будет испытывать на токамаке Глобус-М2 уже сейчас. Например, здесь будут проводиться испытания системы диагностики плазмы по рассеянию лазерного излучения», — рассказывает Василий Гусев.

По его словам, комплекс также станет площадкой для создания компактного термоядерного источника нейтронов для гибридного реактора – «союза» атомного (распад тяжелых ядер) и термоядерного (синтез тяжелых ядер при слиянии более легких) реакторов. По этой схеме токамак будет выступать в роли генератора нейтронов, которые свободно проникают в атомные ядра и тем самым запускают реакции распада. Еще одно направление исследований – испытания материалов для термоядерного реактора. Эта работа ведется совместно с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.