плазма в магнитном поле
МАГНИТНЫЕ БАЛЛОНЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ
Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ
ЗА ЧЕМ ЖЕ ОСТАНОВКА?
Заряженные частицы плазмы в магнитном поле двигаются по спиралям, образуя как бы витки, кольцевые проводники с током. Они создают собственные магнитные поля, направленные противоположно внешнему полю. Сила, возникающая при взаимодействии этих полей, стремится выбросить виток наружу. Именно так поле действует на вещества, именуемые диамагнетиками. Следовательно, плазма в неоднородном магнитном поле обладает диамагнетизмом.
Поэтому преодолевать негативные свойства диамагнетизма плазмы следует не «подлечиванием» существующих ловушек, а путем радикального превращения его из врага в друга, фактора не мешающего, а способствующего удержанию плазмы. Для этого достаточно магнитные поля использовать не как «среду обитания» плазмы, а как магнитный «забор», «корку», ее окружающую.
Возрождение интереса к этим системам началось несколько лет назад. Связано оно как с общим развитием физики и техники плазмы, так и с трудностями, с которыми столкнулись токамаки.
ОБ ИДЕАЛЬНЫХ ЛОВУШКАХ
Поскольку, как уже отмечалось, потребность в сосудах для плазмы, актуальная уже сегодня, со временем станет только расти, посмотрим, какие ловушки, хотя бы условно, можно назвать «идеальными».
Прежде всего, очевидно, нужно устранить вредные действия диамагнетизма плазмы, то есть это должны быть ловушки с магнитной оболочкой («коркой»).
Ловушка не должна иметь «щелей», приводящих к быстрым потерям частиц.
Эти четыре условия определяют основные черты «идеальных ловушек» и ряд требований к их конструкции.
В нарастающем по мере удаления от границы магнитном поле силовые линии выпуклы в сторону плазмы. Но тогда сечение плазменного объема оказывается «остроугольным», с широкими щелями по углам. Преодолеть эту неприятность можно, только замкнув дополнительным полем одну щель с другой. Тогда частица, покинув сосуд через одну щель, неизбежно вернется в него через другую. Возникает конфигура ция, реально удовлетворяющая всем основным условиям.
Понятия и схема идеальной ловушки нужны как ориентир в огромном море возможных конструкций. Для каждой конкретной задачи требуются системы со специфическими особенностями, возможно, далекие от рассмотренного идеала. Среди галатей могут быть и ловушки, в которых плазма и поля полностью перемешаны. Первая конкретная схема «магнитотермоядерного реактора» (МТР), предложенная А. Д. Сахаровым около 1950 года, была галатеей этого типа.
Сейчас в США создается галатея «Диполь» со сверхпроводящими катушками, но поле и плазма в ней перемешаны. Этим устройством очень интересовался Эдвард Теллер, «отец» американской водородной бомбы.
К идеальным ловушкам относятся только системы с магнитной коркой.
ТРИ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГАЛАТЕЙ-РЕАКТОРОВ
Несмотря на явные принципиальные достоинства галатей для целей управляемого термоядерного синтеза у многих создавалось впечатление, что связанные с ними технические трудности слишком велики, а то и вообще неразрешимы. Главным образом разговор шел о трех проблемах, на которых мы и остановимся.
МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА МИКСИН
Чтобы обеспечить левитацию миксин, несущих радиационную защиту, достаточно поместить под ними опертое о землю кольцо с током противоположного направления, создающим поле напряженностью около 200 эрстед. Это не очень много (средняя напряженность магнитного поля Земли порядка 1 эрстеда), особенно если учесть, что для удержания плазмы в термоядерных реакторах типа токамак требуется порядка 30-50 тысяч эрстед.
Не вызывает серьезных трудностей и создание системы стабилизации положения миксины. Наглядной демонстрацией ее технической простоты может служить создание в Японии и Германии сверхскоростных пассажирс ких поездов на магнитной подвеске, развивающих скорость более 500 км/ч.
СБРОС ЭНЕРГИИ С МИКСИН
В термоядерных реакторах миксины будут интенсивно облучаться потоками нейтронов, гамма- и другими излучениями. Поэтому у проблемы отвода приходящей энергии есть два аспекта: сброс основной доли энергии, «застревающей» в наружных слоях миксин, и поддержание низкой температуры сверхпроводника.
НАЧНЕМ С ПЕРВОЙ ПРОБЛЕМЫ.
ПОДДЕРЖАНИЕ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ СОСТОЯНИИ МИКСИНЫ
Эта проблема, по-видимому, наиболее сложна. Однако она имеет два решения, существенно зависящих от рабочей температуры сверхпроводника.
Ничего похожего на галатеях не было. Результаты, полученные на одних установках, не проверялись на других аналогичных установках и поэтому не обладали должной полнотой. Тем не менее ни в коем случае нельзя считать, что галатеи в экспериментах плохо держали плазму. Поэтому вызывает большое сожаление, что их изучение не получило должного развития.
ГАЛАТЕИ В «ДОМАШНИХ» УСЛОВИЯХ
8. «Наука и жизнь» № 9, 2000 Разумеется, галатеи такого масштаба заведомо не могут указать надежный путь в «энергетическое Эльдорадо». Но такие малые установки могут быть не только учебным пособием. Аккуратное и системати ческое изучение процессов в них представляет большой научный интерес, не говоря о том, что скромные модели галатей, безусловно, станут основой для решения многих прикладных задач.
В Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) по руководством доктора физико-математических наук А. И. Бугровой и автора экспериментально изучается ряд вариантов галатей. Теоретически исследования этих ловушек ведутся в Институте ядерного синтеза (ИЯС) Российского научного центра Курчатовский институт и в Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша. Полученные к настоящему времени результаты позволяют надеяться, что галатеи внесут существенный вклад в многоликую плазменную технологию.
Плазма в магнитном поле
Каталог магнитов
Магнитное удержание плазмы
Расскажем сегодня о магнитном удержании плазмы.
ПЛАЗМА – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.
Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность.
Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.
Магнитное удержание плазмы
Как известно, в магнитном поле заряженные частицы движутся по спиралям, «навиваясь» своими траекториями на силовые линии магнитного поля. Поэтому однородное поле сильно уменьшает диффузию и теплопроводность плазмы в направлении поперек силовых линий. Однородное поле, однако, никак не влияет на движение заряженных частиц вдоль силовых линий.
Естественный путь устранения потерь плазмы вдоль силовых линий — сворачивание плазменного шнура в тор. Но при этом магнитное поле становится неоднородным и характер движения заряженных частиц в нем усложняется возникает дрейф (медленное смещение) частиц поперек силовых линий поля. Для устранения дрейфа, а также обеспечения равновесия и устойчивости плазменного кольца используют различные комбинации внешних полей и полей, возникающих при протекании токов в самой плазме. В зависимости от структуры этих полей возможны различные виды тороидальных (или замкнутых) ловушек для плазмы: токамаки, стеллараторы и т.д.
Однако, несмотря на это, «ловушки» не являются единственной исследуемой системой магнитного удержания плазмы. Дело в том, что если рассматривать их не как устройство для удержания горячей плазмы, а как часть термоядерного реактора, то, с чисто инженерной точки зрения, он имеет весьма серьезные недостатки. Импульсный характер работы токамака порождает проблемы, связанные с «усталостью» материалов из-за циклических термических напряжений, возникающих в элементах конструкции. Кроме того, его тороидальная геометрия сама по себе обусловливает неоднородность тепловых и нейтронных нагрузок на эти элементы. Поскольку силовые линии магнитного поля в тороидальной ловушке представляют собой окружности, можно ожидать центробежный дрейф частиц к стенкам ловушки. Кроме того, в силу принятой геометрии установки, витки с током располагаются на внутренней окружности тора ближе друг к другу, чем на внешней, поэтому индукция магнитного поля увеличивается по направлению от внешней стенки тора к внутренней, что очевидным образом приводит к градиентному дрейфу частиц к стенкам ловушки. Оба вида дрейфа частиц вызывают движение зарядов противоположного знака в разные стороны, в результате вверху образуется избыток отрицательных зарядов, а внизу – положительных.
С тороидальной геометрией связаны головоломные проблемы, которые придется решать при дистанционной разборке и других ремонтных работах на радиоактивной установке, активированной нейтронами.
Наконец, для экономики реакторных систем очень важно, чтобы удержание плазмы осуществлялось как можно более слабым магнитным полем. Коэффициент использования магнитного поля в каждой данной системе удержания можно характеризовать величиной, равной отношению давления плазмы к давлению внешнего магнитного поля, определяемому как В2/8я, где В — магнитная индукция. Другой способ, также позволяющий компенсировать дрейф плазмы в тороидальной ловушке, состоит в возбуждении вдоль тора электрического тока прямо по плазме. Систему с кольцевым током назвали токамак (от слов «токовая камера», «магнитные катушки»).
Диффузия плазмы поперек магнитного поля. Предыдущий анализ поведения заряженных частиц в магнитном поле основывался на предположении об отсутствии столкновений частиц между собой. В действительности же частицы, конечно, взаимодействуют между собой, их столкновения приводят к тому, что они перескакивают с одной линии индукции на другую, т.е. перемещаются поперек силовых линии магнитного поля. Такое явление называют поперечной диффузией плазмы в магнитном поле. Анализ показывает, что скорость поперечной диффузии частиц уменьшается с увеличением магнитного поля (обратно пропорционально квадрату величины магнитной индукции B), а также с возрастанием температуры плазмы. Однако, на самом деле процесс диффузии в плазме оказывается более сложным.
Основную роль в поперечной диффузии плазмы играют столкновения электронов с ионами, при этом ионы, которые движутся вокруг силовых линий по окружностям большего радиуса, чем электроны, в результате столкновений «легче» переходят на другие силовые линии, т.е диффундируют поперек силовых линий быстрее, чем электроны. Из-за различной скорости диффузии частиц противоположного знака происходит разделение зарядов, которому препятствуют возникающие сильные электрические поля. Эти поля практически устраняют возникшую разницу в скоростях движения электронов и ионов, в результате чего наблюдается совместная диффузия разноименно заряженных частиц, которая называется амбиполярной диффузией. Такая диффузия поперек магнитного поля является также одной из важных причин ухода частиц на стенки в устройствах магнитного удержания плазмы.
Физики «наполнили» сверхзвуковую плазму сильным магнитным полем
Liang Gao et al. / The Astrophysical Journal Letters, 2019
Американские физики впервые получили стабильный пучок плазмы, объем которого пронизан магнитным полем напряженностью порядка ста миллионов гаусс. Кроме того, ученые аккуратно измерили параметры пучка и магнитного поля, а затем показали, что они согласуются с теоретическими моделями. Работа ученых потенциально может пригодиться в астрофизике, в частности, при изучении джетов молодых звездных объектов. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
Бо́льшая часть барионной материи Вселенной находится в состоянии плазмы — сильно ионизированного газа, в котором электроны и ионы двигаются практически независимо. В самом деле, масса планет и межзвездного газа составляет незначительную часть от массы звезд, а в звездах вещество разогревается как минимум до нескольких тысяч кельвинов, которых вполне достаточно для ионизации. Важным отличием плазмы от остальных агрегатных состояний вещества является ее способность проводить электрический ток. В частности, по этой причине намагниченная плазма обязательно следует вдоль линий магнитного поля. Более подробно про физику плазмы можно прочитать в статьях «Есть ли плазма в космосе?» и «Вездесущая плазма».
К сожалению, измерить свойства астрономических объектов напрямую невозможно, поэтому физики пытаются создать плазму в лаборатории и смоделировать какие-нибудь предполагаемые процессы. Например, ученые до сих пор плохо понимают, как ведет себя вещество в сильно намагниченных джетах, которые образуются вокруг черных дыр. Подробнее про эту проблему можно прочитать в нашей новости или в материале «Загадка галактических масштабов». К сожалению, до сих пор исследователям не удавалось создать в лаборатории достаточно большой и устойчивый сгусток плазмы, пронизанный сильным магнитным полем. Во всех предыдущих экспериментах поле проникало вглубь сгустка не больше чем на несколько сотен микрометров, а затем быстро распадались во времени и пространстве.
Ученые под руководством Ханьтао Цзи (Hantao Ji) придумали новую схему эксперимента и получили сгусток стабильной сверхзвуковой плазмы, пронизанный магнитным полем напряженностью порядка миллиона гаусс (100 тесла). Для этого исследователи сфокусировали 20 лазерных лучей установки OMEGA на пластиковой мишени и собирали их в кольцо диаметром около одного миллиметра. Размер каждого луча составлял примерно 125 микрометров, длительность импульсов достигала одной наносекунды, а суммарная энергия излучения превышала 10 тысяч джоулей. В результате в окрестности пятна каждого лазера формировался небольшой сгусток плазмы. Затем все сгустки равномерно расширялись и наращивали давление в центральном регионе кольца. Наконец, созданное давление «выдавливало» струю плазмы и пронизывало ее магнитным полем, направленным вдоль оси струи. Чем больше был диаметр кольца, тем длиннее получалась струя и тем более сильное поле ее пронизывало. Например, для кольца диаметром 1,2 миллиметра длина достигала пяти миллиметров, а напряженность поля — ста миллионов гаусс. Для сравнения, напряженность магнитного поля Земли не превышает одного гаусса.
Схема экспериментальной установки: вид сбоку (слева) и сверху (справа)
Liang Gao et al. / The Astrophysical Journal Letters
Американские физики количественно описали магнитное пересоединение плазмы
J. Ng et al./ Physics of Plasmas, 2017
В последние дни всеобщее внимание привлекла серия мощных вспышек на Солнце и последовавшие за ней магнитные бури на Земле. За все эти события отвечает магнитное пересоединение плазмы — процесс перераспределения магнитных полей, приводящий к значительным выбросам энергии. В своей недавней работе американские физики смогли количественно промоделировать этот процесс и значительно расширить понимание этого процесса. Результаты исследования опубликованы в Physics of Plasmas.
Магнитное пересоединение плазмы — процесс перераспределения магнитных полей в плазме в результате взаимодействия двух плазменных фаз. Это приводит к преобразованию энергии магнитного поля в кинетическую энергию ускоренных частиц и последующим излучению, выбросам элементарных частиц и сильному повышению температуры. Магнитное пересоединение оказывает сильное влияния на многие процессы, которые происходят в плазме как в токамаках, так и на астрофизических объектах, в частности, при вспышках на Солнце, корональных выбросах массы и магнитных штормах в магнитном поле Земли. Для описания процессов, происходящих при магнитном пересоединении с ионами и элементарными частицами, обычно используются численные модели, основанные на двух различных подходах. В первом подходе описывается кинетика отдельных частиц — такой расчет является довольно затратным по времени и компьютерном ресурсам, поэтому приводит к достоверным данным, но с низкой скоростью получения. Второй подход использует различные магнитогидродинамические модели, которые рассматривают плазму как сплошную текучую среду. Такой подход позволяет быстрее получить точные данные, но из-за необходимости делать определенные допущения такие результаты вблизи критических точек могут не всегда быть правильными.
В своей работе американские ученые смогли предложить такой вариант замыкания системы магнитогидродинамических уравнений, который позволяет получить достоверные результаты. Использованный метод замыкания ученые назвали нелокальным, в отличие от локального, который использовался в предыдущих подходах. Модель описывает двухжидкостную плазменную систему с линейным смешиванием жидкостей. С помощью предложенной численной модели был рассчитан полный тензор давления в процессе слияния двух жидкостей как для ионов внутри плазмы, так и для электронов. В результате без использования свободных параметров удалось получить широкую область электронной диффузии, которая предсказывалась кинетическими моделями, но не могла быть получена с использованием магнитогидродинамических методов.
Поле плотности тока при пересоединении, расчитанное по кинетической модели (сверху), и жидкостным моделям с нелокальным (посередине) и локальным (снизу) замыканием
J. Ng et al./ Physics of Plasmas, 2017
Поле скорости ионной жидкости при пересоединении, расчитанное по кинетической модели (сверху), и жидкостным моделям с нелокальным (посередине) и локальным (снизу) замыканием
Ловушка для термояда
Институт ядерной физики, как и все институты Сибирского отделения РАН, — сравнительно молодой: в 2008 г. ему исполнится всего лишь 50 лет — столько же, сколько составляет средний возраст его сотрудников. Отрадно видеть, что за последнее время в ИЯФ появилось много аспирантов и студентов, которые планируют продолжать свои научные исследования в его стенах. Известно, что современная молодежь тянется туда, где интересно, где есть перспективы для роста. А в ИЯФ такие перспективы, несомненно, есть. Следует подчеркнуть и тот факт, что проведение сложнейших современных экспериментов требует усилий не одного человека, а мощной команды единомышленников. Вот почему приток свежих сил так важен для института.
Плазма — загадочная материя,
обладающая свойством самоорганизации
Плазма — это полностью или частично ионизованный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. И потому в целом она представляет собой электрически нейтральную среду, или, как говорят физики, обладает свойством квазинейтральности. Это состояние вещества считается четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным и является нормальной формой существования при температуре порядка 10 000 градусов по Цельсию и выше.
Исследования этого необычного состояния вещества в природе проводятся уже более века. Начиная со второй половины 20 столетия «генеральное направление» — осуществление самоподдерживающейся управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС). Высокотемпературные сгустки плазмы во Вселенной распространены очень широко: достаточно назвать Солнце и звезды. А вот на Земле ее совсем мало. Космические частицы и солнечный ветер ионизуют верхний слой атмосферной оболочки Земли (ионосфера), а образовавшаяся плазма удерживается земным магнитным полем. Иными словами — это своего рода земная магнитная ловушка. В период повышенной солнечной активности поток заряженных частиц солнечного ветра деформирует магнитосферу планеты. Вследствие развития гидромагнитных неустойчивостей плазма проникает в верхнюю атмосферу в районе полюсов — и атмосферные газы, взаимодействуя с заряженными частицами плазмы, возбуждаются и высвечиваются. Этим обусловлено явление полярного сияния, которое можно наблюдать только на полюсах.
Наряду с «генеральным направлением» в исследовании физики плазмы, существуют и другие, не менее важные, прикладные. Это привело к появлению многочисленных новых технологий: плазменная резка, сварка и обработка поверхности металлов. В качестве рабочего тела плазма может использоваться в двигателях космических кораблей и люминесцентных лампах для освещения. Применение плазменных технологий вызвало настоящий переворот в микроэлектронике. Не только существенно повысилась производительность процессоров и увеличился объем памяти, но и значительно снизилось количество используемых в производстве химикатов — таким образом, уровень ущерба, наносимого экологии, удалось минимизировать.
Плотная высокотемпературная плазма существует только в звездах, на Земле ее можно получить лишь в лабораторных условиях. Это необычное состояние вещества поражает воображение большим количеством степеней свободы и, вместе с тем, способностью к самоорганизации и отклику на внешнее воздействие. К примеру, плазму можно удерживать в магнитном поле, заставляя принимать различные формы. Однако она стремится принять то состояние, которое для нее наиболее энергетически выгодно, что часто приводит к развитию различных неустойчивостей, и, подобно живому организму, вырваться на свободу из жесткой «клетки» магнитной ловушки, если конфигурация этой ловушки ее не устраивает. Вот почему задача физиков — создать такие условия, чтобы плазма была устойчивой, «жила» в ловушке долго и спокойно, нагревалась до термоядерных температур порядка 10 миллионов градусов по Цельсию.
На сегодняшний день в ИЯФ успешно функционируют две уникальные большие плазменные ловушки, которые явились итогом применения на практике оригинальных идей и принципов, рожденных в стенах института. Это ловушки открытого типа, существенно отличающиеся от популярных замкнутых магнитных систем. Они поражают своей загадочной грандиозностью и в то же время простотой функционирования. За всю историю работы на установках ученым удалось получить важные результаты по нагреву и удержанию плотной горячей плазмы, а также сделать ряд открытий, связанных с фундаментальными свойствами этого четвертого состояния вещества. Каждый год преподносил что-нибудь новое и необычное то в одних, то в других условиях для жизни в ловушках при изменении конфигурации магнитного поля, при создании электрических полей, при добавке различных примесей, а также при инжекции в плазму мощных пучков и при «прощупывании» плазмы различными диагностиками. И плазма, «реагируя» на подобные действия, пусть и неохотно, но делилась с исследователями своими самыми сокровенными тайнами…
Газодинамическая ловушка (ГДЛ)
Установка ГДЛ, созданная в новосибирском Институте ядерной физики в 1986 г., относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле.
Конфигурация магнитного поля в классической открытой аксиально-симметричной ловушке представляет собой вытянутую область однородного магнитного поля с максимумами на краях, которые достигаются при помощи кольцевых катушек сильного магнитного поля. Области под этими катушками (те области пространства, занятого магнитным полем, в которых оно достигает максимального значения) принято называть «магнитными пробками», а ловушку, устроенную по такому принципу, — «пробкотроном». В простейшем случае магнитное поле в пробкотроне создается только магнитными пробками.
Заряженные частицы плазмы (отрицательные электроны и положительные ионы) движутся по силовым линиям магнитного поля между магнитными пробками, отражаясь от них и совершая, таким образом, колебательные движения. Частицы, имеющие кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера пробки, покидают ловушку за один пролет.
Отличиями газодинамической ловушки (ГДЛ) от обычного пробкотрона, описанного выше, являются большая протяженность участка однородного поля в центре ловушки и очень большое «пробочное отношение» (отношение R = B 1 /B 2 значений магнитного поля в пробке и в центре ловушки). В такой конфигурации длина свободного пробега ионов мала по сравнению с длиной участка однородного магнитного поля, поэтому истечение плазмы из установки происходит по законам газовой динамики аналогично истечению газа в вакуум из сосуда с маленьким отверстием, чем и обусловлено название установки. Делая «отверстия» в магнитных пробках очень маленькими, а объем, занимаемый плазмой, большим, можно получить время удержания плазмы, достаточное для осуществления управляемой термоядерной реакции. Правда, вот длина подобного пробкотрона-реактора будет составлять несколько километров. Однако использование различных устройств, так называемых амбиполярных плагов, уменьшающих поток плазмы в пробки, позволит уменьшить длину ловушки до разумных пределов. Поэтому реакторные перспективы такой ловушки остаются по-прежнему привлекательными. Наиболее перспективным термоядерным приложением схемы удержания плазмы является создание на основе ГДЛ простого и надежного источника быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ, которые рождаются в реакции синтеза ядер дейтерия и трития. Фактически это тот же термоядерный реактор (только с малым КПД), потребляющий энергию и вырабатывающий нейтроны. Такой нейтронный генератор можно использовать для проведения материаловедческих испытаний первой стенки будущего промышленного термоядерного реактора или для подпитки слабо энергетическими нейтронами реактора деления, что делает безопасным современную ядерную энергетику. Проект нейтронного источника на основе газодинамической ловушки в течение многих лет разрабатывается в Институте ядерной физики. В целях практической проверки предсказаний теории и накопления базы данных для создания нейтронного источника в Институте ядерной физики СО РАН и была создана экспериментальная модель газодинамической ловушки — установка ГДЛ.
В настоящее время международное научное сообщество, занимающееся решением проблемы УТС, приступило к строительству крупнейшей плазменной ловушки типа токамак под названием «ИТЭР». В ближайшие десятилетия ИТЭР должен продемонстрировать возможность функционирования самоподдерживающейся управляемой термоядерной электростанции на основе реакции синтеза дейтерия и трития.
Однако очевидно, что для дальнейшего развития термоядерной энергетики будущего и строительства таких станций, которые будут работать десятилетиями и даже столетиями, уже сегодня нужно отобрать надежные материалы, способные на протяжении всего срока службы выдерживать сильные нейтронные потоки. Для проведения испытаний таких материалов необходим мощный нейтронный источник. ИЯФ уже в течение многих лет разрабатывает проект такого источника на основе ГДЛ.
Все физические принципы, заложенные в основу компактного и относительно недорогого нейтронного источника на основе открытой газодинамической ловушки, в данное время исследуются в реальном эксперименте по накоплению, удержанию и нагреву плазмы в установке ГДЛ. Уже сегодня проходят прямые измерения излучаемого нейтронного потока в опытах с инжекцией дейтерия. Реакция синтеза дейтерий-дейтерий при данных параметрах эксперимента дает, в общем-то, небольшой поток по сравнению с реакцией дейтерий-тритий. Но для для проверки модельных расчетов, которые в будущем планируется использовать для расчетов реактора-источника, их вполне достаточно. В декабре этого года установке исполняется 22 года: первая плазма была получена в конце 1985 г. Те, кто строил и запускал ее, и сегодня еще работают в лаборатории.
Но команда пополнилась и новыми, молодыми и энергичными, сотрудниками: некоторые из них — ровесники самой установки ГДЛ
Главной частью установки является осесимметричный пробкотрон длиной 7 м, с полем 0,3 Тл в центре и до 10 Тл в пробках, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы.
Одна из компонент — теплая «мишенная» плазма — имеет температуру электронов и ионов до 100 эВ (это примерно 1 200 000 градусов по Цельсию) и плотность
5•10 19 частиц в кубическом метре. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, описанный выше. Другая компонента — это быстрые ионы со средней энергией
10 000 эВ и плотностью до 2•10 19 частиц в кубическом метре. Они образуются в результате ионизации в мишенной плазме мощных пучков атомов, наклонно инжектируемых в ловушку с помощью специальных устройств — инжекторов нейтральных атомов. Для этой быстрой компоненты характерен тот же режим удержания, что и в классическом пробкотроне: быстрые ионы движутся по магнитным орбитам вдоль силовых линий магнитного поля и отражаются от области сильного магнитного поля. При этом быстрые ионы тормозятся при взаимодействии с частицами мишенной плазмы (в основном с электронами) и нагревают ее до 100 эВ и выше. При наклонной инжекции и малом угловом рассеянии частиц плотность быстрых ионов оказывается сильно пикированной (большой) вблизи области отражения, и это обстоятельство является наиболее привлекательным для реализации нейтронного источника. Дело в том, что поток нейтронов в реакции синтеза пропорционален квадрату плотности ионов дейтерия и трития. И потому при подобной пикировке плотности он будет сосредоточен только в области остановки, где и будет размещаться «тест-зона». Остальное же пространство установки будет испытывать гораздо меньшую нейтронную нагрузку, что позволит отказаться от дорогостоящей нейтронной защиты всех узлов генератора.
Важной проблемой на пути к созданию реактора и нейтронного источника на основе аксиально-симметричного пробкотрона является стабилизация плазмы поперек магнитного поля. В схеме ГДЛ она достигается благодаря специальным дополнительным секциям с благоприятным для устойчивости профилем магнитного поля, которые расположены за магнитными пробками и обеспечивают надежную стабилизацию плазмы.
Другой важной проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) на основе открытых ловушек является термоизоляция плазмы от торцевой стенки. Дело в том, что, в отличие от замкнутых систем типа токамак или стелларатор, из открытой ловушки плазма вытекает и попадает на плазмоприемники. При этом холодные электроны, эмитированные под действием потока с поверхности плазмоприемника, могут проникать обратно в ловушку и сильно охлаждать плазму. В опытах по изучению продольного удержания на установке ГДЛ удалось продемонстрировать, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмоприемником в торцевых баках — расширителях — препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и дает эффективную термоизоляцию от торцевой стенки.
В рамках экспериментальной программы ГДЛ ведется постоянная работа, связанная с повышением устойчивости, мишенной температуры и плотности быстрых частиц плазмы; с исследованием ее поведения в различных условиях работы установки и т. д. Ведется также и изучение фундаментальных свойств. Стоит подчеркнуть, что спектр научных интересов и исследований, имеющих отношение к плазме, очень широк.
Установка ГДЛ оснащена самыми современными средствами диагностики. Большинство из них разработано в нашей лаборатории и, ко всему прочему, на контрактной основе поставляется в другие плазменные лаборатории, в том числе и зарубежные.
Команда ученых, инженеров и технических работников, ведущих исследования на установке ГДЛ, небольшая, но невероятно трудоспособная. Высокий уровень квалификации всех ее членов помогает им добиваться и высоких результатов. К тому же, научные кадры постоянно пополняются «молодой кровью» — выпускниками НГУ и НГТУ. Студенты различных курсов, проходя практику в лаборатории, с первых дней принимают активное участие в экспериментах, внося, тем самым, непосредственный вклад в создание новых знаний. Уже после первой курсовой работы они остаются на практику в лаборатории, успешно защищают дипломы, поступают в аспирантуру и готовят кандидатские диссертации. Не скроем, это чрезвычайно радует и нас, научных руководителей.
Другая ловушка — «ГОЛ-3» — и несколько иной угол зрения на термояд
Человечество испытывает недостаток электричества, и в ближайшем будущем эта проблема станет первоочередной: запасы топлива — нефть и газ, — используемого на основных современных электростанциях, увы, истощаются. Вот почему основой электроэнергетики будущего должны стать термоядерные реакторы.
Термоядерные реакции — это реакции синтеза легких ядер, например изотопов водорода дейтерия и трития, с выделением большого количества энергии. Для осуществления этих реакций требуется большая температура — более 10 миллионов градусов Цельсия. Известно, что любое вещество при температуре более 10 тысяч градусов Цельсия становится плазмой. Контакт с твердым телом приводит к мгновенному ее охлаждению и взрывному разрушению поверхности твердого тела, поэтому плазма должна быть изолирована от конструкции: с этой целью ее и помещают в магнитное поле.
Нагреть вещество до огромных температур и в течение длительного времени удерживать в магнитном поле чрезвычайно сложно — и потому многие специалисты считают управляемый термоядерный синтез (УТС) наиболее сложной из когда-либо стоявших перед человечеством задач.
Установка ГОЛ-3 в Институте ядерной физики СО РАН предназначена для нагрева и удержания термоядерной плазмы в многопробочном магнитном поле. Установка состоит из трех основных частей: ускорителя У-2, 12-метрового соленоида (узла для создания сильного магнитного поля) и выходного узла.
Электронный пучок, который используется в установке, создается самым мощным в мире (в своем классе) ускорителем У-2. В нем электроны вытягиваются электрическим полем из взрывоэмиссионного катода и ускоряются напряжением около 1 миллиона Вольт. При токе 50 000 Ампер мощность системы достигает 50 ГВт. (А вот весь Новосибирск в дневное время суток потребляет энергии в 20 раз меньше.) При длительности пучка около 8 микросекунд в нем содержится до 200 000 Дж энергии (что эквивалентно взрыву ручной гранаты).
В основном соленоиде при пролете пучка в дейтериевой плазме с плотностью n = 10 20 —10 22 частиц в кубическом метре вследствие развития двухпотоковой неустойчивости возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40 % своей энергии, передавая ее электронам плазмы. Темп нагрева очень высокий: за 3—4 микросекунды плазменные электроны нагреваются до температуры порядка 2 000—4 000 эВ (23—46 миллиона градусов Цельсия: 1 эВ = 11 600 градусов Цельсия) — это мировой рекорд для открытых ловушек (для сравнения: на установке 2XIIB в США температура не превышала 300 эВ против 2 000—4 000 эВ на ГОЛ-3).
Магнитное поле в основном соленоиде — многопробочное (55 пробкотронов), т. е. максимумы (5 Тл) и минимумы (3 Тл) поля чередуются, причем расстояние между максимумами (22 см) — порядка длины пробега ионов. К чему это приводит: если ион покинет одиночный пробкотрон и полетит вдоль магнитного поля, то в соседнем пробкотроне он столкнется с другой частицей, в результате может быть захвачен соседним пробкотроном, и тогда он «забудет», куда летел. Таким образом, разлет плазмы из ловушки существенно замедляется. А вот время удержания горячей плазмы на ГОЛ-3 составляет до 1 миллисекунды, что можно признать несомненным достижением ученых.
Многопробочность приводит к неоднородности передачи энергии от пучка к электронам плазмы: там, где магнитное поле больше, нагрев электронов сильнее. При нагреве же пучком высокий уровень турбулентности способствует сильному (более чем в тысячу раз) подавлению электронной теплопроводности, поэтому не выравниваются неоднородности температуры, и следовательно, возникают большие перепады давления плазмы: по этой причине плазма начинает двигаться как целое. Из областей высокого давления к минимумам давления с двух сторон начинают двигаться два встречных плазменных потока, которые сталкиваются и прогреваются до температуры 1—2 кэВ (она немного выше, чем в центре Солнца). Данный механизм быстрого нагрева был открыт на ГОЛ-3 четыре года назад в процессе экспериментов. Из теории следовало, что он должен сопровождаться резкими скачками плотности плазмы, которые вскоре были обнаружены методом томсоновского рассеяния луча лазера.
После пролета основного соленоида пучок попадает в выходной узел, который способен принять мощный пучок электронов, а также поток плазмы и при этом не разрушиться. Для этого магнитное поле в выходном узле должно быть расходящимся, что раз в 50 уменьшает плотность энергии в пучке, а приемник пучка — графитовым. Особенность графита, во-первых, в том, что у него нет жидкой фазы, он сразу испаряется; во-вторых, он имеет незначительную плотность (2 г/см 3 ), благодаря чему пробег электронов в нем выше, чем в металлах, а следовательно, энергия выделяется в большем объеме и не превышает порога взрывного разрушения графита, и потому эрозия графита невелика — порядка 1 микрона за выстрел. Наличие на выходе установки мощного плазменного потока позволяет проводить эксперименты по облучению материалов для термоядерных реакторов будущего: эти реакторы будут подвергаться такому высокому уровню тепловых нагрузок, достичь которого на других плазменных установках сегодня пока нереально.
Другая важная задача, которую можно решить с помощью выходного узла, — это обеспечение безопасности транспортировки пучка через основной соленоид. Вся сложность проблемы заключается в том, что ток пучка в соленоиде (30 кА) больше порога устойчивости (для камеры ГОЛ-3 — 12 кА), поэтому пучок неустойчив и может выброситься на стенку или внутрикамерные конструкции, что приведет к их разрушению. С этой целью перед инжекцией пучка в выходном узле нужно пробить разряд (молнию), и тогда основной соленоид заполнится относительно холодной (несколько эВ) предварительной плазмой, в которой при инжекции электронного пучка наводится встречный ток, и он полностью компенсирует ток пучка, что в целом обеспечит системе стабильность (суммарный ток не будет превышать 3 кА).
Одна из самых серьезных проблем УТС — устойчивость плазмы, т. е. создание условий, при которых плазма не могла бы покинуть ловушку поперек магнитного поля из-за развития различных плазменных неустойчивостей. Для открытых ловушек самой опасной является желобковая неустойчивость. Суть ее в том, что плазма раздвигает магнитные силовые линии и между ними проскальзывает наружу. В плазме ГОЛ-3 эта неустойчивость подавлена благодаря сдвигу магнитных силовых линий на разных радиусах плазмы, который возникает по причине сложной конфигурации токов в плазме. В центре плазмы течет ток пучка, там же — высокий уровень турбулентности. Обратный ток течет по плазме, но из-за турбулентности в центре ее сопротивление возрастает — и обратный ток течет по поверхности плазменного шнура. Прямолинейный ток создает вокруг себя круговое магнитное поле, что вместе с продольным полем соленоида дает спиральное магнитное поле. На разных радиусах ток разный (и течет в разные стороны) — поэтому и шаг, и направление спирали тоже разные. Вот почему когда плазменный желобок раздвигает магнитные силовые линии на одном радиусе, то он натыкается на силовые линии под другим углом и не может их раздвинуть — так подавляется желобковая неустойчивость.
Непростой задачей является и диагностирование горячей плазмы, т. е. определение ее температуры, состава, плотности, величины магнитного поля и многого другого. Градусник туда не вставишь — он может взорваться — и плазма остынет. Приходится использовать различные специальные методы, которые делятся на пассивные и активные. С помощью пассивных диагностик можно изучить то, что излучает плазма. С помощью активных — инжектировать в плазму, например, свет лазера или пучки атомов и посмотреть, что из этого выйдет.
Из пассивных диагностик на установке ГОЛ-3 работают детекторы и спектрометры фотонов в видимой, ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областях, детекторы нейтронов, детектор нейтралов перезарядки, диамагнитные зонды и пояса Роговского. Из активных — несколько лазерных систем, инжектор атомарных пучков и инжектор твердотельных крупинок.
Хотя сейчас к реакторным параметрам наиболее близки токамаки (у них выше температура и время удержания), благодаря ГОЛ-3 многопробочные ловушки также рассматриваются в качестве варианта термоядерного реактора. Плотность плазмы в ГОЛ-3 почти в сто раз выше, чем в токамах в среднем, к тому же, в отличие от токамаков, в этой установке нет ограничений по давлению плазмы. Если давление будет сравнимо с давлением магнитного поля (5 Тл создает давление
100 атмосфер), то ловушка перейдет в режим «стеночного» удержания — вытолкнутое из плазмы магнитное поле (т. к. плазма — диамагнетик) будет концентрироваться и увеличиваться вблизи стенок камеры и все равно сможет удерживать плазму. В настоящее время нет ни одной причины, которая бы принципиально ограничивала рост основных термоядерных параметров (n, T и время удержания) в многопробочных ловушках.
Основная задача, стоящая сегодня перед коллективом установки ГОЛ-3 — это разработка концепции многопробочного термоядерного реактора, а также экспериментальная проверка основных положений этой концепции.
Не хлебом единым… Но и хлебом тоже
Исследование плазмы не может осуществляться без диагностики, и потому разработки ИЯФ охотно покупаются. Институт заключает контракты на поставку некоторых средств диагностики, научные сотрудники занимаются разработкой, сборкой этих средств в собственных цехах. В основном это диагностические инжекторы, но есть также и некоторые оптические приборы, интерферометры и т. д. Дело не стоит на месте: деньги зарабатывать ИЯФ тоже умеет.
1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov at all. Plasma heating and confinement in GOL-3 multimirror trap // Transactions of Fusion Science and Technology. — 2007. — Vol. 51. — No. 2T. — Pp. 106—111.
2. А. В. Аржанников, В. Т. Астрелин, А. В. Бурдаков, И. А. Иванов, В. С. Койдан, С. А. Кузнецов, К. И. Меклер, С. В. Полосаткин, В. В. Поступаев, А. Ф. Ровенских, С. Л. Синицкий, Ю. С. Суляев, А. А. Шошин. Исследование механизма быстрого нагрева ионов в многопробочной ловушке ГОЛ-3 // Физика плазмы. — 2005. — Т. 31. — № 6. — С. 506—520.