Окончен эскизный проект проектируемой в ИЯФ СО РАН установки для изучения физики плазмы ГДМЛ
- 27.12.2023
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) подготовили эскизный проект разрабатываемой в настоящее время в институте установки для изучения физики плазмы – Газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). Целью этого проекта является обоснование возможности создания термоядерной системы на основе открытой магнитной ловушки: источника нейтронов и в перспективе – термоядерного реактора. Работа выполнена в рамках Федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий». Создание установки ГДМЛ планируется в рамках реализуемого федерального проекта в случае его продолжения в 2025-2030 гг., ее стоимость оценивается в 10443,284 млн. рублей в ценах соответствующих лет.
Создание реактора на основе управляемого термоядерного синтеза (УТС) – амбициозная цель, над которой исследователи работают уже не один десяток лет. При термоядерной реакции лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые. Такой процесс происходит в плазме во время её горения. Термоядерный синтез протекает в условиях очень высокой температуры, так как для горения плазмы её нужно разогреть до 100 миллионов градусов. В термоядерном реакторе плазма находится в вакуумной камере и удерживается магнитным полем. Реактор на основе УТС способен обеспечить человечество дешевой энергией на многие годы.
Магистральным направлением в области разработок таких реакторов считается создание токамаков – систем, в которых плазма удерживается замкнутым магнитным полем. Именно на токамаках продемонстрированы лучшие результаты. Первый в мире экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, сооружаемый в настоящее время усилиями многих стран во Франции, представляет собой токамак.
Параллельно в мире развивается другое направление – создание открытых магнитных ловушек – систем с открытым магнитным полем. Это более простая с инженерной точки зрения конструкция, которая обладает рядом преимуществ, принципиальное из которых – возможность работы в стационарном режиме. В ИЯФ СО РАН действует четыре экспериментальные установки такого типа – КОТ (Компактный осесимметричный тороид), ГДЛ (Газодинамическая ловушка), ГОЛ-NB (Гофрированная ловушка - Neutral beams) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка). Эксперименты на этих установках показали впечатляющие для такого типа результаты по нагреву и времени удержания плазмы. В настоящий момент на них отрабатываются технологии, которые будут использованы при создании установки нового поколения ГДМЛ (Газодинамическая многопробочная ловушка). Это магистральный проект по физике плазмы ИЯФ СО РАН, который предназначен ответить на ряд фундаментальных вопросов.
Общий вид стартовой конфигурации установки ГДМЛ. 1 – инжектор атомарного пучка, 2 – соленоид и вакуумная камера центральной секции, 3 – криостат модуля магнитной пробки, 4 – камера нейтральной инжекции, 5 – камера и катушки расширительной секции.
«Главный вопрос, на который должна дать ответ установка ГДМЛ – возможно ли создание реактора на основе открытой магнитной системы, – прокомментировал заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Петр Багрянский. – Эта установка объединит лучшие наработки нашего института в области физики плазмы: нагрева с помощью атомарных инжекторов, СВЧ нагрева, технологий сверхпроводимости, преодоления различных типов неустойчивости. Одна из заложенных в проект идей состоит в возможности использования альтернативных топлив. Обычно в качестве топлива для термоядерного реактора рассматривается смесь тяжелых изотопов: дейтерия и трития. Эту термоядерную реакцию легче всего осуществить, но большая часть энергии в ней выделяется в виде нейтронов, поэтому реактор становится радиоактивным. Кроме того, тритий отсутствует в природе, а для его наработки придётся применять сложные и дорогостоящие технологии. Благодаря тому, что в открытой ловушке можно очень эффективно использовать магнитное поле и удерживать плазму с большим давлением, в перспективе для неё доступны другие реакции, например, D-D (дейтерий-дейтерий), D-3He (дейтерий-гелий 3) и P-11B (протон-бор 11). Чистый дейтерий – это неограниченный ресурс, в отличие от редкого и дорогого трития, он буквально падает на нас с неба. В каждом кубическом метре воды содержится 33 грамма дейтерия, этот источник энергии практически неисчерпаем. Важное практическое приложение проекта – возможность использовать установку в качестве источника нейтронов. Такие устройства востребованы при уничтожении радиоактивных отходов и могут также применяться для производства редких изотопов».
Длина установки ГДМЛ составит 30 метров, магнитное поле – 1,5 Тесла в центре и 20 Тесла в пробках. В стартовой конфигурации магнито-вакуумная система установки будет включать в себя центральную секцию с сильными магнитными пробками и расширители, предназначенные для размещения приемников плазмы. Нагрев плазмы будет осуществляться за счет инжекции мощных пучков нейтральных частиц и дополнительного введения СВЧ-мощности.
«Важным отличием установки ГДМЛ от существующих открытых ловушек с нейтральной инжекцией станет достижение квазистационарного режима, при котором потери энергии и частиц из плазмы компенсируются системами нагрева и дополнительной подпитки. Длительность работы большинства систем в стартовой конфигурации, как и время существования плазмы, составит 2 секунды, а длительность нейтральной инжекции – 0.3 секунды. По бытовым меркам это мало, но для эксперимента – достаточно. Мы сможем проверить основные физические гипотезы, интересные нам: подтвердить, что плазма в такой системе устойчива, и проверить предложенные нами технологии увеличения её времени жизни в ловушке», – пояснил Петр Багрянский.
Ограничение жизни плазмы двумя секундами позволило значительно упростить конструкцию различных систем установки, сроки реализации проекта и его стоимость. В проект заложена возможность постепенной модернизации отдельных модулей и систем установки и расширения научной программы по мере развития проекта. Модульный принцип строения открытых ловушек делает их ремонтопригодными даже для реакторных масштабов.
«Несмотря на то, что термоядерные исследования в мире во многом развивались благодаря работам советских физиков, в России это направление начинает приобретать заметные масштабы только сейчас. Своеобразным импульсом для этого стало участие РФ в проекте ИТЭР, в результате которого внутри страны сформировалась тесная кооперация между ведущими плазменными лабораториям, отрабатываются технологии, полезные для российских термоядерных проектов. Большая работа в этом направлении проделана координатором федерального проекта по УТС – госкорпорацией «Росатом». Поэтому сейчас, с учетом накопленных в результате этих инициатив наработок – удачное время для реализации новых термоядерных проектов у нас в стране, одним из которых является ГДМЛ», – прокомментировал Петр Багрянский.
Создание установки ГДМЛ запланировано в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий» в случае его продолжения на период с 2025 по 2030 годы. Федеральный проект – часть комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года», в соответствии с указом Президента Российской Федерации «О развитии техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации» №270 от 16 апреля 2020 года.