Новая установка позволит реализовать перспективный способ создания плазмы с термоядерными параметрами
- 28.12.2021
Сергей Мурахтин на фоне установки КОТ. Фото - Юлия Клюшникова
В условиях стремительного истощения запасов природного топлива (нефти, газа, угля) большую актуальность приобретает освоение новых источников энергии. На передний план выходит термоядерная энергетика, в основе которой лежат реакции синтеза лёгких изотопов водорода – дейтерия и трития. Генеральным направлением исследований в области физики плазмы являются проблемы нагрева и удержания плазмы с термоядерными параметрами. Плазма — это четвертное агрегатное состояние вещества, ионизированный газ, нагретый до очень высокой температуры (порядка ста миллионов градусов), необходимой для протекания термоядерных реакций. Примером природного термоядерного котла служит Солнце. Внутри звезды непрерывно происходят ядерные реакции по превращению водорода в гелий, в результате чего выделяется колоссальная энергия. В Солнце удержание вещества происходит за счет гравитации, однако реализовать в лаборатории такой сценарий – невыполнимая задача. В земных условиях удерживать плазму в течении времени, необходимого для протекания термоядерных реакций, можно с помощью магнитного поля на специальных установках.
В настоящее время в ИЯФ СО РАН произведён физический пуск новой магнитной ловушки. Отличительной чертой установки является способ удержания и стабилизации плазмы. В ловушках открытого типа, к которым относится новая машина, плазма удерживается по принципу свободного вытекания газа из сосуда через узкое горлышко. Основными задачами, на решение которых направлены эксперименты, являются увеличение времени вытекания плазмы через магнитную пробку и отработка методов её стабилизации. Это интересные задачи, существует несколько путей их решения, и все они сложны. В новой установке плазма сама будет создавать условия, способствующие увеличению времени её удержания. Связано это с диамагнетизмом – способностью плазмы ослаблять магнитное поле, в котором она удерживается. При определённых условиях плазма полностью вытеснит из себя внешнее магнитное поле и как бы окажется в ловушке, созданной ей самой, где и будет находиться до окончания эксперимента.
Экспериментальная установка КОТ. Фото - Юлия Клюшникова
«Если говорить упрощённо, на сегодняшний день можно выделить два основных типа установок для магнитного удержания плазмы – замкнутые и открытые. К первому типу относятся токамаки и стеллараторы – устройства в форме тора, напоминающие бублик, в которых линии магнитного поля замкнуты сами на себя. Циркулируя вдоль силовых линий, плазма хорошо удерживается, её потери минимальны. Но у этих машин есть недостатки — относительно дорогая магнитная система и сложно организованная топология магнитных поверхностей. Чтобы создать в “бублике” требуемое магнитное поле, требуется большое количество “хитрых” токовых обмоток, привлечение нестандартных инженерных и физических решений. Второй тип — открытые магнитные ловушки газодинамического типа. Они похожи на бутылку от шампанского с двумя горлышками, направленными в разные стороны. Плазма свободно вытекает вдоль силовых линий, как воздух из воздушного шарика, за это время успевают пройти термоядерные реакции и выделяется энергия. Достоинством такой системы является её предельная инженерная простота и, как следствие, низкая стоимость. Недостатки таких систем — “дырочки”, через которые вытекает вещество и энергия. Ее потери в простых открытых ловушках пока еще слишком велики, и это проблема, которая требует решения. В установке КОТ мы стремились создать такую магнитную конфигурацию, которая сочетала бы в себе достоинства удержания плазмы в токамаке с замкнутыми силовыми линиями и простоту магнитной конфигурации открытой ловушки. Именно так появилась на свет наша необычная машина», — прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Мурахтин.
Обсуждение концепции новой установки и первые наброски проекта начались в 2014 году. Работы по строительству установки на площадке одного из корпусов института началась в 2017 году. Целью проекта стало изучение методов удержания горячей плазмы с высоким относительным давлением в осесимметричном пробкотроне малого объема с мощной атомарной инжекцией, и демонстрация диамагнитного удержания с возможным обращением ведущего магнитного поля. В ноябре 2021 года состоялся физический пуск установки и получена стартовая плазма. В данный момент задача ученых — достичь параметров мишенной плазмы, которые бы позволили им успешно захватить атомарные пучки в плазме и накопить достаточный для обращения магнитного поля азимутальный ток. Возникающее при этом состояние плазмы носит название FRC (Field-Reversed Configuration). Его отличительной особенностью является наличие замкнутых силовых линий магнитного поля и наличие локального минимума напряжённости поля в области удержания плазменного сгустка (рис.1). В совокупности это минимизирует потери энергии и вещества вдоль силовых линий (они замкнуты сами на себя, как в токамаке).
«Генеральная идея в следующем: у нас есть система атомарной инжекции, которая в мишенную плазму инжектирует мощные пучки нейтральных атомов (рис.2). Эти пучки ионизируются при взаимодействии с плазмой и превращаются в заряженные частицы, которые имеют орбиту вращения, равную диаметру плазмы. Когда накопленный азимутальный ток частиц становится достаточно большим (около 50 кА), он обращает ведущее магнитное поле, в котором удерживается плазма, и силовые линии магнитного поля замыкаются сами на себя. В результате должно произойти следующее: образуется FRC, потери энергии и частиц вдоль силовых линий магнитного поля минимизируются.
Мы будем изучать то, насколько устойчивой будет созданная конфигурация, и насколько мы сможем подавить продольные потери. Второй важный момент касается «эффективности» использования магнитного поля в котором “живёт” плазмоид, которая характеризуется отношением давления плазмы к давлению магнитного поля и обозначается коэффициентом β. К примеру, в токамаке этот коэффициент не превышает нескольких процентов β≈0.05. Больше не получается, потому что возникают неустойчивости, которые “раскидывают” плазму. Такова особенность токамаков. В классических открытых ловушках, таких как Газодинамическая ловушка ИЯФ СО РАН β≈0.5 и это большое достижение! А в установке КОТ планируется достичь β≈1, то есть режим, в котором давление плазмы сравняется с давлением внешнего магнитного поля, и можно говорить о максимально возможной эффективности использования ведущего магнитного поля. Эти два ключевых момента позволяют надеяться, что скоро мы будем наблюдать здесь сложную и интересную физику. Напомню: простота конструкции, принципиальная возможность удержания плазмы с высоким значением β, наличие естественного канала удаления примесей и продуктов термоядерных реакций, возможность прямого преобразования тепловой энергии плазмы в электричество – всё это является привлекательными чертами нашего подхода к удержанию плазмы», — отметил Сергей Мурахтин.
Экспериментальная установка КОТ. Предоставлено С. Мурахиным.
Установка КОТ относится к типу открытых магнитных ловушек, огромный плюс установки — в инженерной простоте. Магнитная система состоит всего из нескольких магнитных катушек (четыре снаружи, две – внутри вакуумной камеры). Основные системы установки: вакуумная камера, плазменный генератор, создающий мишенную плазму с температурой около 40 эВ (один электронвольт соответствует примерно 10 тыс. градусам Цельсия) и плотностью 3×1013 см-3 (плотность воздуха 3×1019 см-3). Плазма удерживается с помощью соленоидов, которые создают продольное магнитное поле. В настоящее время ведутся первые эксперименты по изучению параметров стартовой плазмы, создаваемой плазменным генератором, установленным в торцевом баке установки (рис.2). Свечение плазмы, снятое на скоростную камеру через диагностический порт в центральном сечении установки представлен на рис.3. Длительность эксперимента на установке составляет 5 мс.
Излучение плазмы в видимом диапазоне длин волн. По бокам фотографии видны соленоиды, создающие магнитную конфигурацию “бутылочное горлышко”. Предоставлено С. Мурахтиным
«Самый важный элемент установки — система атомарной инжекции. Я должен подчеркнуть, что только благодаря наличию уникально мощных атомарных пучков, которые разработаны в нашем институте в лаборатории д.ф.-м.н. А. А. Иванова, мы смогли реализовать этот проект. Не было бы пучков — не было бы установки, только благодаря им мы можем позволить себе подобные “научные игры”. Система атомарной инжекции — довольно дорогое изделие, и оно полностью изготовлено на экспериментальном производстве института. Мы очень гордимся, что можем делать у себя продукцию мирового уровня», — подчеркнул Сергей Мурахтин.
Ближайшая задача ученых — добиться создания стартовой мишенной плазмы с расчетными температурой и плотностью; следующим этапом будет ввод в эксплуатацию системы атомарной инжекции. Она создаст нужный азимутальный ток, который обратит ведущее магнитное поле, и в лаборатории появится «рукотворное солнце» - FRC. Мы надеемся, что внутри этого «шарика» будет достигнута температура около ста миллионов градусов, и концентрация частиц 1013 см-3. Эти параметры близки к тем, которые будут наблюдаться в действующем термоядерном реакторе.
«КОТ не является термоядерной установкой, это прототип, на основе которого будет сформирована экспериментальная база данных для установки следующего поколения – ГДМЛ – демонстратора технологий термоядерного синтеза на базе газодинамической ловушки. Одной из этих технологий как раз является удержание плазмы с высоким относительным давлением, которое мы планируем подробно изучить на новой установке. На своей небольшой установке мы изучаем сценарии создания и устойчивого удержания FRC, используя для этого водородную плазму, не представляющую радиационной опасности. Если всё получится, то можно будет построить настоящую термоядерную установку уже с системой радиационной защиты, где будут использоваться вместо водорода его изотопы – дейтерий и тритий. Вот тогда будет протекать термоядерная реакция и будет вырабатываться энергия! Но это отдалённая перспектива, и путь к ней тернист», — отметил Сергей Мурахтин.
В настоящее время за рубежом ведутся подобные эксперименты в Китае и в США. В КНР построена экспериментальная установка KMAX-FRC, с помощью которой исследуется радиочастотный способ создания FRC в неплотной плазме 3×1012 см-3 и с меньшим, чем у нас, значением напряжённости магнитного поля в области удержания плазмоида. Партнером ИЯФ СО РАН по данной тематике является компания TAE Technologies (США). Специалисты компании работают с похожей FRC-конфигурацией на своей установке С2-W/Norman, и заинтересованы в экспериментальных результатах, которые будут получены в нашем институте. Это позволит им оптимизировать способ создания FRC в своих экспериментах. Что касается России, то в стране установок, подобной нашей, нет.