Стипендия имени Г. И. Будкера вручена за работы в области термоядерного синтеза
- 25.11.2022
Компактный осесимметричный тороид (КОТ) – установка Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), предназначенная для исследования методов удержания плазмы. Основная задача физической программы установки – удержание плазмы с рекордно высоким значением относительного давления β (бета). Но для достижения этой цели сначала необходимо провести ряд подготовительных работ, в том числе создать относительно горячую (30-50 эВ) мишенную плазму. Магистрант Новосибирского государственного университета (НГУ), старший лаборант ИЯФ СО РАН Константин Колесниченко получил стипендию имени Г.И. Будкера за работы по улучшению параметров плазмы на установке КОТ, благодаря которым в ближайшее время физики смогут получить мишенную плазму нужной температуры и приступить к полномасштабным исследованиям.
Развитие управляемого термоядерного синтеза (УТС) на сегодняшний день достигло этапа, когда в мире начинают появляться проекты экспериментальных термоядерных реакторов. В основе создания таких установок могут лежать магнитные системы (магнитные ловушки) либо замкнутого типа (токамаки и стеллараторы), либо открытого типа (пробкотроны). Один из наиболее известных международных проектов – токамак ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор, Франция), в котором принимает участие и Россия, в том числе – ИЯФ СО РАН. Помимо этого, Институт является мировым лидером в разработке и исследованиях магнитных ловушек открытого типа, потенциально не менее перспективных, и обладающих рядом достоинств. Одна из таких установок, на которой ведутся исследования в области термоядерного синтеза – Компактный осесимметричный тороид (КОТ).
«КОТ представляет собой аксиально-симметричный пробкотрон с мощной атомарной инжекцией. Эта открытая ловушка отличается тем, что на ней возможно поработать с удержанием плазмы с очень высоким относительным давлением β (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), – рассказывает магистрант Новосибирского государственного университета (НГУ), старший лаборант ИЯФ СО РАН Константин Колесниченко. – Данный параметр принят в качестве характеристики эффективности использования магнитного поля и должен быть меньше либо равен единице. Наши исследования помогут экспериментально проверить теоретические работы по физике плазмы, предложенные в Институте. Например, возможность создания области внутри плазмы с почти нулевым магнитным полем. В такой системе достигается равновесие, и первым это показал в своих теоретических работах ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Дмитриевич Беклемишев. Теория предсказывает, что нулевое магнитное поле, или магнитный пузырь, созданный внутри плазмы, позволит увеличить время удержания плазмы внутри открытой ловушки, уменьшая продольные потери. В своих экспериментах мы сможем это проверить».
Еще одна отличительная особенность открытой магнитной ловушки КОТ в том, что при определенных условиях, магнитное поле становится противоположным по направлению внешнего магнитного поля и замыкается на самом себе, образуя систему, подобную токамаку. При этом минимизируются потери энергии и вещества вдоль оси установки. Возникающее состояние плазмы носит название FRC (Field-Reversed Configuration)*. Чтобы работать в таком режиме исследователям нужно достичь определенных параметров мишенной плазмы.
«Мишенная плазма носит такое название, потому что играет роль мишени для быстрых атомов – ионов водорода, инжектируемых для нагрева плазмы в установке. Если пучки нейтральных атомов инжектировать просто в газ, то они не ионизуются и, следовательно, не будут удерживаться магнитным полем, а пролетая через мишенную плазму, захват будет более эффективным. Оптимизация параметров мишенной плазмы, например, достижение температуры порядка 30 – 50 электрон-вольт, позволит создать условия, в которых захваченные частицы не будут слишком быстро тормозиться на электронах мишенной плазмы, что позволит накопить достаточный для обращения магнитного поля азимутальный ток», – добавляет Константин Колесниченко. – Для измерения параметров плазмы были сконструированы два тройных ленгмюровских зонда, которые позволяют получать информацию об электронной температуре, плотности и плазменном потенциале в конкретной точке; был найден оптимальный режим включения магнитного поля и многое другое. В первых экспериментах мы уже приблизились к получению мишенной плазмы с необходимыми характеристиками, наша задача достичь температуры 30-50 эВ, после этого мы начнем инжекцию пучков нейтральных атомов, и тогда перейдем к полномасштабным работам с плазмой с β, близкой к единице. Это будет первый опыт взаимодействия с плазмой с таким высоким параметром относительного давления, созданной при помощи инжекции пучков нейтральных атомов. Мы сможем проверить, будут ли в этих условиях работать относительно новые методы удержания плазмы, такие как вихревое удержание, удержание при помощи проводящей стенки и другие. Если они окажутся эффективны, то их можно будет применять при проектировании установки ГДМЛ (Газодинамической многопробочной ловушки), к созданию которой мы все и стремимся».
Графики временных зависимостей температуры электронов в плазме и ее плотности. Красным показана зависимость для зонда, находящегося за термобарьером, в области, куда планируется инжектировать пучки. Синим - для зонда перед термобарьером, ближе к газоразрядному источнику плазмы. Предоставлено К. Колесниченко
Инфраструктурный комплекс разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы ГДМЛ – наиболее амбициозная цель научных исследований ИЯФ СО РАН в направлении УТС. Планируется, что ГДМЛ продемонстрирует возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа. ГДМЛ разрабатывается как инфраструктурный комплекс, позволяющий тестировать новые термоядерные технологии на основе открытых ловушек, но на первом этапе они проверяются на экспериментальных установках Уникального научного комплекса «ДОЛ» (Длинные открытые ловушки). В комплекс «ДОЛ» на сегодняшний день входят КОТ, ГДЛ (Газодинамическая ловушка), ГОЛ-3 (Гофрированная ловушка), ГОЛ-NB (ГОЛ-Neutral Beams) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка).
*Эксперименты по изучению FRC проводятся и в США на установке C-2W. Магнитная ловушка КОТ отличается от установки C-2W методом создания плазмы. В американском эксперименте, в центральной камере, сначала сталкиваются две FRC структуры, созданные при помощи быстрого обращения магнитного поля в концевых баках установки, после чего в новую структуру инжектируются пучки нейтральных атомов, поддерживающие это состояние. На установке КОТ исследователи хотят создать FRC с помощью инжекции без предварительного выворачивания магнитного поля.
Магистрант НГУ, старший лаборант ИЯФ СО РАН Константин Колесниченко на установке КОТ. Фотография Т. Морозовой