Уникальная научная установка «Комплекс ДОЛ»: длинные открытые ловушки
Одним из возможных решений энергетической проблемы считается управляемый термоядерный синтез (УТС) – энергия, получаемая при слиянии легких ядер. Наибольшие успехи в этой области достигнуты при помощи нагрева плазмы, удерживаемой в магнитном поле.
На европейской установке JET и японской JT-60U было показано, что таким методом можно достигнуть КПД >1, то есть получить энергии больше, чем было затрачено на нагрев плазмы. Тем не менее, электростанция на основе УТС пока не построена. Этой непростой научно-технической задачей занимаются многие лаборатории во всем мире.
Для демонстрации работы термоядерного реактора уже строится опытная экспериментальная установка ИТЭР во Франции. Когда она будет запущена, встанет вопрос – на основе какой системы строить коммерческий термоядерный реактор? Существует несколько вариантов – токамак, линейные ловушки, конфигурация с обращенным полем и другие варианты. Сейчас наиболее развито направление токамаков, но и альтернативные системы обладают рядом достоинств. Возможно, в будущем токамак будет вытеснен или станет сосуществовать с другими типами реакторов, как сейчас уживаются бензиновый и дизельный двигатели. ИЯФ занимается альтернативным направлением – открытыми ловушками для удержания плазмы.
УНУ «Комплекс ДОЛ» – это единая система электрофизических установок, которые имеют общую инфраструктуру. В состав научного центра входят две крупные линейные магнитные ловушки ГДЛ и ГОЛ-3. Они оснащены мощными системами нагрева, которые позволяют достигать субтермоядерных параметров плазмы. Также на «Комплексе ДОЛ» создаются отдельные стенды под конкретные направления исследований.
Возможности «Комплекса ДОЛ»
Технические характеристики установок комплекса позволяют проводить исследования не только в области физики плазмы и УТС, но и изучать явления и процессы в междисциплинарных областях. Основные направления работы и возможности исследовательского центра представлены следующими областями знаний.
Физика плазмы. Изучение фундаментальных процессов и явлений в плазме.
Управляемый термоядерный синтез. Разработка и обоснование проекта термоядерного реактора на основе открытой ловушки.
Термоядерные источники нейтронов. На основе открытой ловушки может быть создан термоядерный источник нейтронов, который будет использован для подпитки подкритического ядерного реактора или для дожигания опасных ядерных отходов.
Диагностика плазмы. Методы измерения параметров плазмы: температуры, плотности и других ее свойств.
Методы нагрева термоядерной плазмы. Физика и техника мощных атомарных, ионных и электронных пучков, которые используются для нагрева и диагностики плазмы. Последнее достижение ГДЛ – рекордная температура плазмы 1 кэВ в квазистационарном режиме. В импульсном режиме на установке ГОЛ-3 достигнута температура 4 КэВ.
Компьютерное моделирование плазменных процессов. Например, моделирование релаксации релятивистского пучка в плазме; моделирование динамики быстрых ионов в ГДЛ методами Монте-Карло.
Взаимодействие плазмы с поверхностью материалов. На «Комплексе ДОЛ» можно формировать такие же мощные потоки плазмы, какие ожидаются в диверторе ИТЭР. Это значит, что еще до создания реактора можно изучать поведение материала.
Моделирование астрофизических процессов. Для нагрева плазмы на ГОЛ-3 используется процесс коллективной релаксации электронных пучков. Похожие процессы происходят при вспышках на Солнце. Конфигурацию параметров установки можно изменить так, чтобы наблюдать эти процессы не в природных, а в лабораторных условиях. Это позволит астрофизикам не ждать подходящего события, а создавать его самостоятельно.
Микроэлектроника и автоматизация физического эксперимента. Специалистами комплекса разработана линейка приборов для автоматизации плазменного эксперимента. Она включает в себя регистраторы быстрых процессов и управляющие контролеры.
С кем мы сотрудничаем?
Открытость и доступность – основные принципы работы нашего научного центра. Мы охотно проводим совместные экспериментальные и теоретические работы с другими научными коллективами. Подробную информацию об условиях совместных исследований можно получить на сайте института. Партнерами комплекса являются ведущие российские и зарубежные научные центры.
Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск. Совместная разработка пучков на основе плазменного эммитора.
Физико-технический институт им. Иоффе, г. Санкт-Петербург. Создание системы регистрации для диагностики плазмы при помощи Томпсоновского рассеяния лазерного луча.
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва. Разработка и изготовление источника диагностического нейтрального пучка для токамака Т-15.
Международный проект ИТЭР (ITER), Франция. Проектирование и создание для проекта ИТЭР диагностические системы для определения различных параметров плазмы. Также коллектив ИЯФ изготавливает для токамака ИТЭР портплаги. Это устройства для нейтронной защиты и размещения диагностик.
Университет Висконсин-Мадисон (University of Wisconsin–Madison), США. Совместные исследования магнитного удержания плазмы высокого давления с популяцией быстрых ионов.
Корпорация Три Альфа Энерджи (Tri Alpha Energy Co.), США. Обеспечение экспериментальной базы для разработки дивертора установки ТАЕ следующего поколения. Изучение поведения быстрой анизотропной компоненты плазмы и влияния микронеустойчивостей на её удержание.
Университет науки и технологии Китая (University of Science and Technology of China). Совместное исследование физики плазмы в открытых ловушках: создание и удержание плазмы в осесимметричной магнитной конфигурации, ее диагностика и другие направления.
Швейцарский федеральный институт технологий Лозанны (École polytechnique fédérale de Lausanne). Разработка и изготовление опытного образца 1 МВт нагревного инжектора нейтральных частиц для токамака TCV.
Технологический институт Карлсруэ (Institute of Technology), Германия, Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород), Новосибирский государственный университет. Создание на установке ГДЛ дополнительной системы нагрева на электронно-циклотронном резонансе, с помощью которой в 2014-2015 годах удалось нагреть плазму до 1 кэВ. Сейчас работа продолжается между ИЯФ и Институтом прикладной физики.
Подготовка специалистов
Коллектив плазменных лабораторий ИЯФ не только любит науку, но и умеет интересно и просто рассказывать о ней другим. Для школьников мы читаем лекции и проводим экскурсии по установкам «Комплекса ДОЛ». Работая в университетах города, наши сотрудники рассказывают студентам о том, какой важной и захватывающей наукой является физика плазмы.
Ежегодно у нас проходят стажировку студенты, магистранты и аспиранты Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета. Институт ядерной физики СО РАН имеет свою собственную аспирантуру, учащиеся которой принимают участие в работах на установках и стендах нашего комплекса.
«ДОЛ» также поддерживает дружеские отношения с Томским политехническим университетом, с Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого, с Сибирским федеральным университетом, с Казахским национальным университетом им. аль-Фараби, а также с университетами и научными центрами Германии, США, Китая. Специалисты, прошедшие подготовку на «Комплексе ДОЛ», строят успешную научную карьеру в России и за ее пределами.
Наши планы
Целью наших исследований является строительство прототипа мощного плазменного нейтронного источника на основе открытой системы – газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). Эта установка объединит в себе достоинства ГОЛ-3 и ГДЛ. В центральном соленоиде ГДМЛ при помощи наклонной инжекции нейтральных атомов будет создаваться горячая плазма. Для улучшения продольного удержания плазмы будут применены многопробочные секции.
Чтобы создать эту установку, потребуется модернизировать энергоцентр комплекса, изготовить стационарную систему нагрева плазмы, сверхпроводящие магниты и систему вакуумной откачки большой производительности, подготовить современные методики диагностики параметров плазмы и систему управления и сбора данных. В ГДМЛ мы планируем применить новые решения по физике удержания термоядерной плазмы, и новые плазменные технологии. Чтобы проверить эти идеи, будут проводиться эксперименты на действующих установках комплекса ДОЛ.
На ГОЛ-3 планируется глубокая модернизация всех систем для того, чтобы подготовить установку к работе по новой научной программе. Будет создана принципиально новая установка с улучшенными параметрами. Основой физической программы станет изучение многопробочного удержания плазмы при нагреве мощным пучком нейтральных атомов. В существующую установку будет добавлена новая центральная ловушка, в которую планируется производить инжекцию нейтральных атомов с мощностью 1, 5 миллиона ватт. Удержанию плазмы будут способствовать специальные секции с многопробочным магнитным полем. В экспериментах мы планируем впервые подтвердить предсказания теории и получить уменьшение потерь частиц и энергии из плазмы при включении многопробочных секций.
Исследования на ГДЛ также направлены на изучение физики, заложенной в основу проекта ГДМЛ. На установке исследуют удержание плещущихся ионов с высоким относительным давлением; наблюдают подавление поперечных потерь при помощи механизма вихревого удержания и эффекта конечного ларморовского радиуса; изучают подавление продольных электронных потерь расширяющимся магнитным полем; наблюдают эффекты самоорганизации плазмы. Также на ГДЛ будет осуществляться нагрев плазмы и удержание электронов с энергией больше 700 эВ.