Отечественные открытия в области термоядерного синтеза ИЯФ СО РАН

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) — один из важнейших мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза.

В институте проводят эксперименты по физике элементарных частиц, разрабатывают интенсивные источники синхротронного излучения, современные ускорители и лазеры на свободных электронах. По многим направлениям институт является единственным в России.

Ученые института рассказали корреспондентам информационного портала «Сделано у нас» о важнейших открытиях, полученных в институте и о дальнейших перспективах исследований в области ядерной физики.

Бункер синхротронного излучения (СИ)

Учёный секретарь ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Аракчеев.

— Что такое синхротронное излучение? Как его применяют?

Синхротронное излучение — электромагнитное излучение, возникающее, когда заряженные частицы ускоряются в направлении, перпендикулярном их скорости. Чаще всего такое поперечное ускорение придаёт магнитное поле, в котором искривляются траектории заряженных частиц. Синхротронное излучение генерируется некоторыми астрономическими объектами. Мы можем производить его в синхротронах при пролёте пучка электронов черех поворотные магниты, ондуляторы или вигглеры (устройства с различными конфигурациями магнитного поля).

Основные сферы применения синхротронного света: физика конденсированных сред, материаловедение, биология и медицина. Существенная часть экспериментов связана с изучением структуры вещества с субнанометрового уровня электронной структуры до уровня микрометра и миллиметра, важного в том числе для медицинской визуализации.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

— Расскажите о разработке новых детекторов для станций синхротронного излучения и их преимуществах? Для чего нужен детектор?

Для синхротронной станции «Плазма» на накопителе ВЭПП-4 мы создали детектор рентгеновского излучения на основе кремниевого микрополоскового сенсора.

Здесь требуется пояснение: для исследования воздействия импульсных нагрузок необходимо, чтобы детектор делал кадры с интервалом в 10 микросекунд, но для работы с отраженным пучком (а не прямым, как при измерении оптической плотности объектов), интенсивность которого значительно ниже, детектор должен быть очень чувствительным. Для того, чтобы достичь такой точности мы изготовили детектор на основе кремниевой пластины 5×3 сантиметров и толщиной 300 микрометров. На пластину нанесены полоски-диоды с шагом 50 микрометров. Детектор имеет однофотонную чувствительность, это значит, что он регистрирует практически каждый пролетающий фотон, так он превосходит предыдущий детектор в 10 раз. Пространственное разрешение этого детектора значительно выше, чем у газового детектора DIMEX, рассчитанного на регистрацию фотонов существенно более низких энергий. Дело в том, что чувствительность влияет на качество изображения, которое мы получаем в ходе эксперимента: его разрешение увеличивается в 5 раз, что ощутимо упрощает и ускоряет интерпретацию результатов.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

ГДЛ, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Колесников

— ГДЛ выглядит немного необычно. Расскажите, как она устроена?

Газодинамическая ловушка, она же — ГДЛ, создана в 1986 году в Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

ГДЛ создали для исследования магнитного удержания высокотемпературной плазмы, она относится к классу открытых ловушек. Конечной целью исследований на ГДЛ является создание термоядерного реактора для получения энергии путем управляемого термоядерного синтеза, а также других приложений. У ГДЛ такая длина и величина магнитного поля в центре и на концах, чтобы эффективная длина свободного пробега ионов была меньше длины установки. С такими данными время жизни плазмы определяется так же, как и при расчете потерь обычного газа через отверстие в сосуде, отсюда и название установки. Время жизни плазмы в газодинамической ловушке нечувствительно к возможности возбуждения в ней неустойчивостей плазмы, называемых микрофлуктуации, именно это делает надежным предсказание результатов эксперимента и его экстраполяцию к реакторным условиям. Еще одно достоинство ГДЛ — возможность обеспечить гидродинамическую устойчивость плазмы в рамках осесимметричной конфигурации. Эти теоретические выводы уже подтверждены экспериментально. Газодинамическая ловушка перспективна в реакторном плане и в качестве основы для создания материаловедческого источника термоядерных нейтронов.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Какие исследования проводятся на установке? Какие результаты по удержанию и нагреву плазмы были достигнуты на ГДЛ?

В ГДЛ было продемонстрировано стабильное удержание плазмы с очень высоким давлением плазмы по отношению к давлению магнитного поля. Инжекция атомарных пучков дейтерия с суммарной мощностью около 4 МВт позволяет довести давление плазмы в ловушке почти до половины давления удерживающего магнитного поля. Это открывает перспективы для создания достаточно компактного и относительно недорогого термоядерного реактора. Наблюдаемое при этом нейтронное излучение сосредоточено в основном в точках остановки быстрых дейтронов, инжектированных в ловушку под углом 45 градусов. Мы работаем над увеличением мощности и длительности инжекции, чтобы воспроизвести в эксперименте условия, которые будут в дейтерий-тритиевой плазме нейтронного источника с плотностью потока 14 МэВ-ных нейтронов 0,5 МВт/м². Наращивание инжекции должно повысить плотность нейтронного потока до 2 МВт/м², что требуется для испытания материалов будущего термоядерного реактора при максимальных нагрузках. Кроме того, на ГДЛ была достигнута рекордная для открытых ловушек электронная температура около 1 кэВ.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

— На сколько лет рассчитана научная программа подобных установок? Какое будущее ждет эту ловушку? Чего вы от нее ожидаете в перспективе?

У нас есть несколько направлений для экспериментальной программы газодинамической установки: повышение устойчивости и плотности быстрых частиц плазмы, повышение электронной температуры, а также разработка новых методов удержания плазмы при очень высоких относительных давлениях.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Установка ГДЛ оснащена современными средствами диагностики и нагрева плазмы. Они разработаны в нашей лаборатории и поставляются в другие плазменные лаборатории, в том числе и зарубежные.

СМОЛА, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наукАнтон Судников

-Расскажите о принципе работы установки СМОЛА и отличии от установок ГДЛ и ГОЛ.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

-Концепцию открытой магнитной ловушки предложили в 1953 г. независимо друг от друга два ученых: Г. И. Будкер из СССР и Р. Пост из Соединенных Штатов Америки. Через шесть лет справедливость этой идеи подтвердил в эксперименте С.Н. Родионов, сотрудник новосибирского Института ядерной физики СО АН СССР. С тех пор Институт ядерной физики стал пионером в проектировании, строительстве и экспериментах с ловушками открытого типа. Хотя установки новосибирских ученых экспериментальные, а поэтому небольшие, импульсные, однако такой тип магнитных ловушек имеет перспективы использования в промышленном термоядерном реакторе, ведь у них есть преимущества по сравнению с замкнутыми: простое инженерное решение, большая эффективность использования энергии магнитного поля, то есть высокая экономичность. К тому же работа этих устройств в стационарном режиме в отличие от токамаков не вызывает проблем.

Сейчас группа физиков из плазменных лабораторий ИЯФ работает над новой идеей: использование магнитного поля с винтовой симметрией, которое позволит управлять вращением плазмы для подавления продольных потерь плазмы из открытой ловушки. Чтобы проверить эту концепцию, была разработана и построена экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка).

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Что из себя представляет новая открытая ловушка, и в чем ее отличие от «прародителей»?

Открытые ловушки отличаются тем, что силовые линии магнитного поля в них не замкнуты и плазма удерживается посередине. Правда, на концах установок, вдоль силовых линий, плазма может вытекать, и наша задача — уменьшить этот поток. Для снижения потерь на концах ловушек ставят магнитные пробки, то есть резко увеличивают силу магнитного поля. В ГДЛ (газодинамической ловушке) таким способом получается очень сильно сузить «горлышки» бутылки, из которой истекает плазма, но полностью избежать потерь невозможно. В ГОЛ (гофрированной ловушке) с каждой стороны стоит несколько магнитных пробок. В такой конструкции плазма как бы трется о «гофрировку» магнитного поля. Из-за силы трения скорость потока становится ниже звуковой, а значит, и потерь будет меньше. В установке ГОЛ-3 их было 52, а в ГОЛ-NB — по 14 на каждом конце. Так как расстояние между пробками четко задано, мы не можем сделать их бесконечно близкими, но можем увеличить длину многопробочных секций. Чтобы уменьшить скорость истечения плазмы, многопробочные секции следовало бы в прямом смысле слова перемещать к центру установки. В таком случае сама плазма будет «стоять», а вдоль нее — «пролетать» магнитные пробки, создавая силу трения и увлекая вещество за собой. Идея двигать пробки возникла одновременно с идеей самой многопробочной ловушки, но тогда задача считалась невыполнимой и нерентабельной: для создания такого «бегущего» поля, нужна невероятная мощность. Мысль «обмануть» вещество, создать такую конфигурацию стационарного магнитного поля, чтобы плазме «казалось», что оно движется к центру, возникла в конце 2012 года.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Есть задачи, когда плазму нужно целенаправленно вращать, для этого и созданы открытые ловушки. Можно ли это вращение использовать для чего-то еще? Представим шнек мясорубки, который крутит мясо в определенном направлении. Идея в том, чтобы создать магнитное поле в виде винта. У нас так же с двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая нарезка поля, но при этом разная — с правым и левым винтом. С одной стороны магнитное поле тащит плазму влево, с другой — вправо. Таким образом, обе эти концевые секции закачивают плазму обратно. Конечно, полностью избавиться от потерь не получится: когда поток плазмы слабеет, частицы друг с другом даже не сталкиваются. Но если удалось сделать поток таким редким, значит, мы на порядок-два выиграли по параметрам удержания плазмы. Новая концепция позволяет создать установку, которая по своим характеристикам может быть сравниться с лучшими токамаками, но эта идея пока теоретическая. В ноябре 2017 года мы перешли к экспериментальному этапу, физически запустив установку СМОЛА. Для нашего уникального эксперимента нужно немного: одна винтовая магнитная пробка, узел, где создается плазма, ее приемник и расширитель, вытягивающий вещество в магнитное поле. Сейчас мы начали «ощупывать» плазму и смотреть, как изменяются ее характеристики на разных режимах работы. Для подтверждения теоретических расчетов нам нужно показать стабильное улучшение характеристик плазмы в устройстве с винтовой магнитной пробкой по сравнению с обычным.

— Над чем сейчас работает ваш коллектив? Каких результатов вы надеетесь достичь на этой установке? Какова ее миссия?

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Весь мир сегодня работает с ловушками замкнутой конфигурации, поэтому может возникнуть ощущение, что мы идем куда-то в сторону. Но мы планируем показать экспериментально преимущества открытых форм. Если нам это удастся, если мы подтвердим, что винтовая форма выигрывает в удержании плазмы, то винтовые секции будут встроены и в последующие устройства, которые будут разрабатываться в ИЯФ.

Некоторые конфигурации винтовых ловушек увеличивают скорость потока плазмы до 100 км/с, это базовое условие для двигателей космических кораблей, транспортирующих спутники с геосинхронной орбиты, например, на орбиту Луны.

Мы уже сейчас понимаем, какой путь нам нужно пройти, какое применение нашей технологии возможно. Винтовые ловушки можно использовать в качестве нейтронных источников для исследования поведения материалов при контакте с плазмой, создания подкритичных (неспособных самостоятельно поддерживать ядерную реакцию) реакторов, но в первую очередь для создания обычных термоядерных электростанций.

Мы предполагаем, что спустя одно-два поколения открытых ловушек справедливо будет говорить о создании полноценных термоядерных реакторов, работающих на бестритиевых топливах (например, с использованием реакции синтеза дейтерий-дейтерий или протон-бор).

Дело в том, что токамаки работают с реакцией дейтерий-тритий, что создает проблему защиты от радиации. В проекте ИТЭР особое внимание уделено созданию сверхпрочных материалов и мощной биозащиты. В реакторе, работающем на реакции синтеза двух ядер дейтерия, на конструкциях не оседает радиоактивный тритий, что делает его системы безопасности намного более простыми.

У термоядерной реакции синтеза дейтерий-тритий лишь одно преимущество — человечество уже сейчас получает с ее помощью термоядерную плазму.

Для другой, энергетически менее доступной реакции, требуется большие температуры, время удержания плазмы и плотность. Такие технологии еще не созданы, но говорить о безнейтронных как о далеком будущем, не стоит.

Сейчас экспериментально доказано, что у токамаков есть серьезные ограничения для работы с реакцией дейтерий-дейтерий, а на открытой ловушке теоретически можно достичь необходимых параметров.

Естественно, нашу «винтовую» модель еще нужно тестировать и оптимизировать, для чего необходима масштабная научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа. Но уже сейчас понятно, что это начало интересной научной истории, и в конце нас ожидают результаты, которые могут оказаться крайне важными для термоядерной энергетики будущего.

СМОЛА — это часть какой-то глобальной программы?

Да естественно, на этом наша программа не будет окончена. Нам нужно будет найти режим, в котором будет наиболее удачным удержанием плазмы. Кроме того, нужно будет проверить поведение плазмы на таких режимах, как в реальном термоядерном реакторе. А в нем расстояние от одного столкновения частиц до другого будет сравнительно большим. Нам нужно попытаться таким образом управлять столкновением частиц в схожем с реактором режиме, естественно, на низких температурах, подбором нескольких безразмерных параметров.

Кроме того, есть интересная идея, что кроме торможения плазмы, можем ее ускорять, если изменим направление вращения и направление нарезки винта. В некоторых конфигурациях магнитного поля это ускорение может быть достаточно эффективным. Такой принцип может быть интересен для плазменных двигателей, дальних космических приложений. Но это, естественно, разговор для более поздних экспериментов.

 © Бионышева Елена/Сделано у нас

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈