Елена Бионышева 14 февраля 2020, 08:10 Своими глазами

Как учёные «ловят плазму»? О перспективах ядерной энергетики репортаж из ИЯФ СО РАН

Следи за успехами России в Телеграм @sdelanounas_ru

Открытые ловушки для удержания плазмы были предложены, как для получения фундаментальных знаний о физике плазмы, так и в качестве кандидатов для термоядерных приложений.

В настоящее время эксперименты с открытыми ловушками ведутся в нескольких лабораториях мира. Исследуется несколько схем открытых ловушек. В частности, установка ГОЛ-3 принадлежит к классу систем с многопробочным удержанием.

Подробнее об этой ловушке и о важности проводимых на ней исследованиях, а также о дальнейших перспективах рассказывает:

Научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Владислав Скляров

Расскажите о преимуществах и недостатках открытых ловушек по сравнению с другими типами установок?

© Бионышева Елена/Сделано у нас

Физика плазмы — относительно молодое направление современной физики, история которого начинается с пионерских работ американского химика и физика Ирвинга Ленгмюра в 20-x годах ХХ века. В «нормальных» условиях плазма получается из газа при нагревании его до десятков тысяч градусов по Цельсию, — когда электроны на внешних оболочках приобретают энергию, сопоставимую с энергией связи между электроном и ядром, а следовательно, способны «оторваться» от ядер атомов вещества. По сути, плазма представляет собой газ, только состоящий не из отдельных атомов и молекул, а из электронов и заряженных ионов. На первый взгляд может показаться, что плазма является весьма экзотическим или даже экстремальным состоянием вещества, но на деле, исходя из астрономических наблюдений, мы можем говорить о том, что более 99% всего видимого вещества во Вселенной находится именно в плазменном состоянии, а не в твёрдом, газообразном или жидком. Все звёзды (в том числе и ближайшая к нам — Солнце) являются природными плазменными образованиями.

Помимо описания процессов в космосе, физики-плазмисты также занимаются и вполне прикладными задачами, а термином «плазменные технологии» вряд ли сейчас можно кого-нибудь удивить, учитывая, что по большей части весь бурный прогресс в микроэлектронике и полупроводниковой технике связан как раз с использованием плазменных технологий. Ещё одной яркой задачей, которая решается научным сообществом и непосредственно связана с физикой плазмы, является развитие технологий в области управляемого термоядерного синтеза. Как вам наверняка известно, многие ядра тяжёлых элементов (тяжелее железа-кобальта-никеля), например, уран и соседние с ним элементы: торий, плутоний, протактиний, делятся с выделением колоссального количества энергии. В частности, на цепных реакциях деления ядра урана-235 работают почти все современные ядерные электростанции. Ядра же более лёгких элементов (например, изотопы водорода — дейтерий и тритий) при сближении на очень малое расстояние, наоборот, «слипаются», образуя ядра более тяжёлых элементов; при этом также происходит выделение энергии, причём в несколько раз больше, чем в реакциях деления, — такие реакции и называются «реакциями синтеза».

Чтобы понять энергетическую эффективность термоядерного синтеза, можно привести следующий пример. Возьмём стакан водопроводной воды (200 мл). На каждую пятитысячную молекулу воды приходится одна молекула тяжёлой воды. Суммарная масса дейтерия в стакане всего несколько микрограмм. Если сжечь дейтерий, который находится в этой воде (и только дейтерий!) по термоядерному циклу, то выделится энергии столько же, как будто мы сожгли 60 л нефти. При этом это отнюдь не самая энергетически эффективная реакция синтеза! Если термоядерный синтез будет освоен, то это должно решить все энергетические проблемы человечества.

Следует сразу оговориться, что для синтеза более тяжёлых ядер из лёгких необходимо, чтобы исходные лёгкие ядра сблизились на очень малые расстояния, где начинают играть роль ядерные силы притяжения, превалирующие над электрическими силами отталкивания. Для того чтобы в веществе шли интенсивно термоядерные реакции, оказывается, что его нужно нагреть до таких температур (или сжать до таких давлений), что оно заведомо будет находиться в плазменном состоянии. Именно по этой причине задача управляемого термоядерного синтеза стала практически неразрывно связанной с физикой плазмы.

Удержание плазмы в лабораторных условиях осуществляется при помощи внешних магнитных полей. В нашей стране в начале 50-х годов XX века было предложено несколько схем магнитных ловушек. Так, в 1950 году А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм предложили удерживать плазму в тороидальном магнитном поле, дополнительно пропуская по плазме электрический ток для её нагрева и стабилизации. Установки, на которых реализуется данная идея, называются ТОроидальные КАмеры с МАгнитными Катушками, или сокращённо токамак. Поскольку силовые линии магнитного поля являются замкнутыми, то такие системы называются закрытыми. Именно это направление сейчас является наиболее развитым. Аналогичную идею удержания плазмы в закрытых системах высказал Лайман Спитцер в 1951 году, который предложил создавать дополнительное магнитное поле не током, протекающим по плазме, а внешними магнитными катушками достаточно сложной формы. Подобные системы называются стеллараторами (от лат. stellar — звезда).

Сейчас мировым научным сообществом ведётся активное сооружение международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) в исследовательском центре Кадараш (Франция). По проекту первая плазма на данной установке будет получена в 2025 году, а к 2035 году токамак должен будет экспериментально продемонстрировать физическую возможность получения энергетически эффективной термоядерной реакции в квазистационарном режиме.

В 1953-м году основателем нашего Института Г. И. Будкером был предложен иной способ удержания плазмы во внешнем магнитном поле (такой же способ удержания, независимо от Г. И. Будкера, был выдвинут Р. Постом в Лаборатории Лоуренса в США). Заряженные частицы в магнитном поле движутся по окружности, центр которой смещается вдоль силовых линий (если имеется ненулевая скорость частицы в направлении вдоль силовой линии), соответственно они обладают ненулевым моментом импульса. Как известно из курса механики, в замкнутых системах существует закон сохранения момента импульса, который проявляется в том, что если вы попытаетесь наклонить вращающееся тело, то возникнет возвращающая сила, именуемая гироскопической. Именно этот закон сохранения обеспечивает вашу устойчивость при движении на двухколёсном велосипеде. То же самое справедливо и для движущихся заряженных частиц: если происходит искривление силовой линии магнитного поля (магнитное поле меняется по длине установки), то на частицу неизбежно начинает действовать сила, которая будет возвращать частицу в исходное положение, и если эта сила больше некоторого значения, то частица от такого «искривления силовой линии» отразится в противоположную сторону, как от зеркала (поэтому в иностранной литературе установки, реализующие данный принцип, называются магнитными зеркалами, в русскоязычной нотации — пробкотрон).

В отличие от закрытых, для открытых установок характерна линейная геометрия.

Однозначно говорить о «преимуществах» или «недостатках» одной системы над другой кажется не совсем корректно, — это две разные концепции, которые преследуют одну и ту же цель. Однако можно отметить принципиальные отличия.

Во-первых, в открытых ловушках более эффективно используется магнитное поле, удерживающее плазму. Дело в том, что давление плазмы в термоядерном реакторе уравновешивается давлением удерживающего магнитного поля. Закрытые системы устроены так, что для устойчивого удержания давление плазмы может составлять только малую долю от давления магнитного поля установки. В открытых же, наоборот, можно удерживать очень плотную плазму. Кроме того, они «видятся» проще в инженерном плане (если для термоядерного синтеза в принципе можно говорить о простоте конструкции). Магнитная система состоит из простых катушек, поэтому установка может состоять из отдельных модулей, что делает её конструкцию более дешёвой и лёгкой в сборке, а её ремонт в случае выхода из строя отдельного модуля может быть выполнен гораздо быстрее.

С другой стороны, в отличие от ловушек закрытого типа, в открытых ловушках силовые линии магнитного поля пересекают торцевые поверхности плазмы, что приводит к большим потерям частиц из системы. Требуется прилагать дополнительные усилия для того, чтобы ограничить вытекание плазмы из ловушки вдоль магнитного поля. Один из основных методов, которые мы рассматриваем, это запирание потока плазмы многопробочными секциями на торцах установки. Иной стороной этого же «недостатка» является то, что вместе с рабочим веществом систему покидают тяжёлые примеси и продукты термоядерных реакций. То, что является существенной проблемой для закрытых систем, в открытых решается автоматически.

Какие исследования в области фундаментальной физики проводятся на ГОЛ-3? Проводятся ли работы в области прикладной физики (материаловедение)?

Идея многопробочного удержания плазмы была предложена в 1971 г. Г.И. Будкером, В.В. Мирновым и Д.Д. Рютовым. Многопробочная ловушка — это набор соединённых пробкотронов, формирующих гофрированное магнитное поле. В такой системе заряженные частицы разбиваются на две группы: захваченные в одиночных пробкотронах и пролётные, попавшие в конус потерь одиночного пробкотрона. Если длина пробега частиц меньше размера ловушки, то при движении пролётных частиц через пробкотроны они начинают испытывать силу трения со стороны захваченных, что резко замедляет скорость разлёта плазмы: вместо прямолинейного разлета движение частиц становится диффузионным. Время удержания плазмы в такой системе значительно возрастает по сравнению с разлетом плазмы в негофрированном соленоиде.

В 1972-73 гг. в Институте ядерной физики СО АН была создана установка «ЩЕГОЛ», эксперименты на которой подтвердили справедливость идеи многопробочного удержания. В это же время в ИЯФ начались первые в мире эксперименты по нагреву плазмы релятивистскими электронными пучками (установки ИНАР, затем ГОЛ-М). Дальнейшее развитие этих двух идей позволило создать в ИЯФе многопробочную ловушку ГОЛ-3.

Раньше установка ГОЛ-3 (ГОфрированная Ловушка) представляла собой систему, состоящую из ускорителя электронов У-2, магнитной системы, создающей гофрированное магнитное поле и системы создания предварительной плазмы. На данной установке, в частности, исследовалось взаимодействия мощного релятивистского пучка электронов с плазмой. Был обнаружен эффект подавления продольной электронной теплопроводности на три порядка величины и их нагрева до нескольких десятков миллионов градусов (1992 год). В многопробочной магнитной конфигурации был также обнаружен эффект быстрого нагрева ионов до температуры, близкой к термоядерной (2003 год).

Работы по взаимодействию пучка с плазмой продолжаются, изучается возможность генерации мощного терагерцового излучения в такой системе. Но сейчас программа исследований на комплексе ГОЛ-3 гораздо шире, решается сразу несколько научных задач. Здесь проводятся эксперименты по физике удержания плазмы в открытых магнитных ловушках многопробочного типа в квазистационарном режиме, взаимодействию мощных плазменных потоков с материалами, отработке плазменных технологий для научных исследований.

Сейчас ГОЛ-3 представляет собой целый комплекс установок, в состав которого входят ГОЛ-3Т, ГОЛ-NB, материаловедческий стенд BETA (Beam of Electron for Testing Application).

Что будет дальше? Очертите главные задачи научной программы ГОЛ-3?

С точки зрения развития программы управляемого термоядерного синтеза, основная задача плазменного сообщества нашего Института — разработка концепции термоядерного реактора на основе открытых ловушек. Как мы говорили ранее, одной из проблем открытых ловушек являются большие продольные потери. В качестве возможного варианта решения рассматривается использование многопробочных секций. На нашей установке должны быть экспериментально проверены основные положения этой концепции.

Текст и фото: Бионышева Елена

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👈