31.08.2016

سرویس مطبوعاتی RAS پیش از این در خبری در تاریخ 09/08/09 از این رویداد خبر داده بود. و 1395/08/15. جزئیات این دستاورد علمی برجسته اکنون در حال انتشار است.

فیزیکدانان سیبری پلاسما را گرم کردندتا 10 میلیون درجه
که درکارخانه همجوشی

دانشمندان موسسه فیزیک هسته ای به نام. G.I. باکر از شعبه سیبری آکادمی علوم روسیه، در آزمایشات روی یک تله دینامیک گاز، به گرمایش پایدار پلاسما تا 10 میلیون درجه دست یافت. این یک نتیجه بسیار مهم برای چشم انداز همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده است. زمان ماندگاری پلاسما هنوز میلی ثانیه است.

دانشمندان شروع به بررسی گزینه هایی برای ایجاد یک راکتور گرما هسته ای بر اساس یک تله باز کردند.

دانشمندان قصد دارند بازده انرژی همجوشی قابل قبولی را برای سیستم هایی با طول تقریباً 100 متر به دست آورند. این خیلی سیستم های فشرده یک راکتور گرما هسته ای مبتنی بر یک تله باز، جایگزینی برای TOKAMAK، می تواند طی 20 تا 30 سال آینده ایجاد شود.

دانشمندان دانشگاهی شعبه سیبری آکادمی علوم روسیه موفق به ایجاد پلاسمای داغ با استفاده از گرمایش الکترونی سیکلوترون شدند که امکان رها کردن اسلحه های پلاسما و در نتیجه انجام آزمایش ها را در شرایط کنترل شده تر فراهم کرد.

با پارامترهای پلاسما که قبلاً به دست آمده است، چنین سیستمی، به ویژه، می تواند برای تحقیقات در زمینه علم مواد استفاده شود، زیرا شارهای نوترونی بالایی تولید می کند.

معاون مدیر BINP SB RAS A. Ivanov خاطرنشان کرد که تحقیقات قبلاً در مورد برهمکنش پلاسما با دیواره های راکتور انجام شده است، مقادیر رکوردی از چگالی انرژی در واحد سطح به دست آمده است. او گفت: «ما اکنون می دانیم که صفحات تنگستن چگونه فرسایش می یابند.

دانشمندان بر این باورند که در موسسه فیزیک کاربردی توسعه یافته است آکادمی علوم روسیه برای منابع تابشی BINP SB RAS - ژیروترون ها برای گرمایش امیدوارکننده خواهند بود که دستیابی به پارامترهای پلاسما بالاتر را ممکن می کند.

پیش از این، BINP SB RAS اعلام کرده بود که قصد دارد یک نمونه اولیه هسته‌ای حرارتی ایجاد کند. راکتور فرض بر این است که BINP SB RAS یک طراحی فنی و یک مطالعه امکان سنجی برای نصب ایجاد خواهد کرد و پس از آن مرحله مذاکرات با شرکای بالقوه از سایر کشورها آغاز خواهد شد.

همانطور که گزارش شده است، توسعه یک نمونه اولیه راکتور گرما هسته ای مبتنی بر تله "چند آینه" دینامیک گاز در چارچوب کمک مالی بنیاد علوم روسیه انجام می شود. مدت زمان برنامه 2014-2018 است، میزان بودجه پروژه از بنیاد علوم روسیه 650 میلیون روبل است.

پیش از این، دانشمندان مؤسسه فیزیک هسته‌ای SB RAS دمای بی‌سابقه 4.5 میلیون درجه (400 الکترون ولت) را در یک تله دینامیکی گاز (GDT) به دست آوردند. برای محتوی پلاسمای داغ در میدان مغناطیسی استفاده می شد؛ در سال 2014، این دما به 9 میلیون درجه افزایش یافت.

گرمایش پلاسما گرما هسته ایتا 10 میلیون درجه

مجموعه ای از آزمایشات موفقیت آمیز بر روی گرمایش پلاسما رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) در نصب GDL انجام شد (شکل 1). هدف از آزمایش، آزمایش سناریوی گرمایش پلاسما ترکیبی توسط پرتوهای خنثی (NB) با توان 5 مگاوات و گرمایش ECR با توان حداکثر 0.7 مگاوات، برای مطالعه مکانیسم‌های فیزیکی ناپایداری مگنتوهیدرودینامیکی پلاسما بود. مشاهده شده در طول چنین گرمایی و جستجو برای راه هایی برای سرکوب آن.

سیستم گرمایش ECR در تاسیسات GDL از دو ژیروترون پالسی با فرکانس 54.5 گیگاهرتز و توان اندازه گیری شده در ورودی پلاسما 300 و 400 کیلووات تشکیل شده است. هر یک از ژیروترون ها از منابع تغذیه با ولتاژ بالا با طراحی خاص تغذیه می شوند که یک پالس ولتاژ بالا مستطیلی با دامنه 70 کیلوولت (با پایداری بدتر از 0.5٪)، جریان تا 25 A و مدت زمان تشکیل می دهند. تا 3 میلی ثانیه تشعشعات ژیروترون از طریق خطوط شبه نوری بسته جداگانه تامین می شود و وارد یک محفظه خلاء در مجاورت دو آینه مغناطیسی می شود که در شکل نشان داده شده است. 3.

برای ایجاد شرایط بهینه برای گرمایش ECR، افزایش میدان مغناطیسی در سیم پیچ های مجزا که در اطراف ناحیه جذب قرار دارند مورد نیاز است. جریان اضافی مورد نیاز برای اجرای جذب موثر در انتهای مخالف تله با کاهش میدان مغناطیسی در بدنه اصلی تله (از 0.35 به 0.27 T در مرکز نصب) به دست آمد. چنین اختلالی در پیکربندی مغناطیسی منجر به وخامت قابل توجهی در محصور شدن پلاسما شد؛ به ویژه، بدون گرمایش ECR، دمای الکترون از 250 eV به 150 eV کاهش یافت.

دو سناریو گرمایش ECR در این پیکربندی مغناطیسی بهینه شدند. سناریوی اول برای افزایش طول عمر یون های داغ ناشی از جذب پرتوهای خنثی توسط پلاسما بهینه شده است. این رژیم با جذب تشعشعات ژیروترون در تقریباً کل سطح مقطع پلاسما مشخص می شد که منجر به افزایش دمای الکترون در کل حجم پلاسما شد.

از آنجایی که طول عمر یون های داغ متناسب با دمای الکترون به توان 3/2 است، در طی گرمایش ECR محتوای انرژی پلاسما و شار نوترون های همجوشی D-D حاصل از برخورد بین یون های داغ به طور قابل توجهی افزایش یافت (شکل 4). در این حالت با قدرت گرمایش ECR بیش از 400 کیلو وات می توان یک تخلیه پایدار به دست آورد. دمای الکترون در محور GDL به 200 eV رسید.

سناریوی دوم برای به دست آوردن حداکثر دمای الکترون بهینه شد. در این حالت، بخش اصلی توان مایکروویو جذب شده توسط پلاسما در یک ناحیه پاراکسیال باریک جذب می‌شود. بنابراین، هنگامی که ژیروترون ها روشن شدند، تخلیه ای با دمای مرکزی تا 1 کو در عرض چند صد میکروثانیه تشکیل شد (شکل 5). علیرغم این واقعیت که مشخصات دمای شعاعی به شدت به اوج خود رسید، تعادل انرژی نشان داد که محصور شدن پلاسما در ناحیه پاراکسیال در حالت گاز دینامیکی رخ می‌دهد، انتقال شعاعی و هدایت حرارتی الکترون طولی کلاسیک (اسپیتزر) به شدت سرکوب می‌شوند. اندازه گیری با استفاده از روش پراکندگی تامسون نشان داد که انرژی بین الکترون های حرارتی توزیع مجدد می شود، یعنی ما به طور خاص در مورد دمای الکترون صحبت می کنیم و نه در مورد انرژی ذخیره شده در "دم" الکترون های پر انرژی. در طی این آزمایش‌ها، دمای الکترون رکوردی برای سیستم‌های باز در یک تخلیه شبه ثابت (-1 میلی‌ثانیه) در تأسیسات GDT به دست آمد و برای اولین بار پارامترهای پلاسما به مقادیر قابل مقایسه با سیستم‌های حلقوی نزدیک شدند.

این شرایط به ما این امکان را داد که نتیجه بگیریم که چشم اندازهای خوبی برای کاربردهای گرما هسته ای بر اساس تله های باز وجود دارد. برای مقایسه، در شکل. شکل 6 نموداری را نشان می دهد که منعکس کننده پیشرفت افزایش دمای الکترون در آزمایشات در تاسیسات GDT در طول 25 سال از وجود تاسیسات است.

افزایش شدید و قابل توجه دمای الکترون هنگام روشن شدن گرمایش ECR منجر به ایجاد ناپایداری پلاسمایی MHD از نوع فلوت می شود. برای سرکوب این ناپایداری در تخلیه استاندارد GDL (بدون گرمایش ECR)، از روش "حبس گردابی" استفاده می شود. این شامل این واقعیت است که یک پتانسیل الکتریکی ثابت به حاشیه پلاسما اعمال می شود و باعث چرخش آن در میدان های الکتریکی و مغناطیسی متقاطع می شود. برای سرکوب موثر تلفات عرضی در طول توسعه ناپایداری فلوت، پتانسیل شعاعی اعمال شده باید با دمای الکترون قابل مقایسه باشد. با افزایش شدید دمای پلاسما در طول گرمایش ECR، این شرایط ممکن است نقض شود. برای حل این مشکل، از روشی برای افزایش پلکانی پتانسیل شعاعی استفاده شد که افزایش دما را هنگام روشن شدن گرمایش ECR دنبال می‌کند. در نتیجه، می توان گرمایش پلاسما ECR نسبتاً پایدار با توان 700 کیلو وات را برای مدت زمان قابل مقایسه با کل مدت تخلیه در نصب، تحقق بخشید.

نمایش تخلیه با دمای الکترون بالا به دلیل توسعه سناریوهای بهینه برای گرمایش EC پلاسما توسط یک موج فوق العاده در اولین هارمونیک در حجم اصلی تله امکان پذیر شد. این نتیجه یک پایه قابل اعتماد برای ایجاد راکتورهای همجوشی هسته ای بر اساس تله های باز، که ساده ترین پیکربندی میدان مغناطیسی متقارن محوری را از نقطه نظر مهندسی دارند، فراهم می کند. کاربرد فوری چنین راکتورهایی ممکن است منبع قدرتمندی از نوترون‌ها از واکنش همجوشی هسته‌های دوتریوم و تریتیوم باشد که برای حل تعدادی از مشکلات در علم مواد گرما هسته‌ای و همچنین کنترل راکتورهای هسته‌ای زیر بحرانی، از جمله دستگاه‌هایی برای از بین بردن مواد رادیواکتیو ضروری است. هدر. توسعه بیشتر این رویکرد امکان در نظر گرفتن ایجاد یک راکتور گرما هسته‌ای "خالص" را بر اساس تله‌های باز با استفاده از واکنش‌های همجوشی کم نوترون یا بدون نوترون فراهم می‌کند.

آزمایش‌هایی روی نصب GOL-3 برای بهبود حفظ طولی در یک تله باز

پارامترهای پلاسمای موجود در تاسیسات به‌دست‌آمده در نتیجه سال‌ها کار و ایده‌های جدیدی که به وجود آمده است، ارزیابی چشم‌انداز این طرح برای محدود کردن پلاسمای با دمای بالا را بسیار خوش‌بینانه‌تر از قبل از شروع کار ممکن می‌سازد. روی GOL-3 کار کنید (شکل 2). نتیجه گیری اصلی این است که فرآیندهای اصلی در پس زمینه سطح نسبتاً بالایی از تلاطم پلاسما رخ می دهد. نوع جدیدی از ناپایداری در سلول‌های انتهایی یک تله چند آینه‌ای کشف شده است که منجر به تبادل کارآمدتر بین گروه‌های ذرات گذرا و به دام افتاده در شرایط چگالی کم پلاسما در نزدیکی انتهای آن می‌شود.

9 آگوست 2016 ساعت 10.40یک رویکرد مطبوعاتی با شرکت کنندگان کلیدی یازدهمین کنفرانس بین المللی در مورد سیستم های مغناطیسی باز برای محصور شدن پلاسما در موسسه فیزیک هسته ای SB RAS (خیابان آکادمیکا لاورنتیف، نووسیبیرسک 11) برگزار خواهد شد. آنها در مورد آخرین نتایج مراکز علمی برجسته که در این زمینه مشغول به تحقیق هستند صحبت خواهند کرد. برای مثال، دانشمندان مؤسسه فیزیک هسته‌ای SB RAS یک روش امیدوارکننده برای تولید پلاسما با استفاده از تشعشعات مایکروویو پرقدرت در یک تله مغناطیسی نوع باز در مقیاس بزرگ (GDT) ایجاد کرده‌اند. این روش به آزمایش‌های موفقیت‌آمیز اجازه داد تا محصور شدن پلاسما را با پارامترهایی در محدوده گرما هسته‌ای بهبود بخشند. علاوه بر این، در نصب مؤسسه فیزیک هسته‌ای SB RAS، پراکندگی پاشش تنگستن مایع در راکتورهای گرما هسته‌ای آینده مورد مطالعه قرار گرفت.

مشارکت کنندگان رویکرد مطبوعاتی:

1. الکساندر الکساندرویچ ایوانوف، دکترای علوم فیزیک و ریاضی، معاون انستیتوی فیزیک هسته ای SB RAS برای کارهای علمی.

2. الکساندر گنادیویچ شالاشوف، دکترای علوم فیزیک و ریاضی، رئیس بخش روش های مایکروویو گرمایش پلاسما در موسسه فیزیک کاربردی آکادمی علوم روسیه (نیژنی نووگورود).

3.یوسوکه ناکاشیما استاد مرکز تحقیقات پلاسما دانشگاه تسوکوبا ژاپن. (پروفسور ناکاشیما یوسوکه، مرکز تحقیقات پلاسما، دانشگاه تسوکوبا، ژاپن)

4. تهیوپ آهپروفسور موسسه ملی تحقیقات گرما هسته ای، دایجون، کره. (پروفسور Lho Taihyeop، موسسه ملی تحقیقات فیوژن، Daejeong، کره).

این کنفرانس هر دو سال یکبار به طور متناوب در سایت های مراکز علمی روسیه (نووسیبیرسک، BINP SB RAS)، ژاپن و کره برگزار می شود. زمینه های اصلی که ارائه خواهد شد عبارتند از فیزیک محصور شدن پلاسما در تله های باز، سیستم های گرمایش برای تله های باز، تشخیص پلاسما، تعامل پلاسما با سطح.

چندین گزینه وجود دارد که بر اساس آنها در آینده امکان ساخت یک راکتور گرما هسته ای - توکامک، ستاره ساز، تله باز، پیکربندی میدان معکوس و غیره وجود دارد. امروزه توکامک ها توسعه یافته ترین منطقه هستند، اما سیستم های جایگزین تعدادی مزیت نیز دارند: آنها از نظر فنی ساده تر هستند و می توانند از نظر اقتصادی به عنوان یک راکتور جذاب تر باشند. شاید در آینده توکامک جایگزین شود یا شروع به همزیستی با سایر انواع تله کند. BINP SB RAS روی یک جهت جایگزین کار می کند - تله های باز برای محصور شدن پلاسما.

پیش از این، اعتقاد بر این بود که این نوع نصب را می توان بیشتر به عنوان ابزاری برای مطالعه خواص اساسی پلاسما و همچنین پایه هایی برای پشتیبانی از آزمایشات برای اولین راکتور آزمایشی گرما هسته ای ITER در نظر گرفت.

با این حال، نتایج اخیر - گرم کردن پلاسما تا دمای 10 میلیون درجه در یک تله باز GDL (BINP SB RAS، روسیه) و نشان دادن وضعیت شبه ساکن پلاسما در نصب S-2 (Tri Alpha Energy، ایالات متحده) - نشان داده شده است که در سیستم های جایگزین امکان دستیابی به پارامترهای پلاسمایی بسیار بالاتر از آنچه قبلاً تصور می شد وجود دارد.

بزرگترین تله های باز در روسیه، ژاپن، چین، کره جنوبی و ایالات متحده آمریکا فعال هستند.

مخاطبین برای تایید صلاحیت:

آلا اسکوورودینا،
متخصص روابط عمومی، BINP SB RAS،
r.t.+7 383 329-47-55, m.t.+7 9354687 913, ایمیل:

اطلاعات مختصری در مورد انواع مدل های راکتور همجوشی

توکامک(مخفف "محفظه مغناطیسی حلقوی")، یک تله مغناطیسی بسته به شکل یک چنبره و طراحی شده برای ایجاد و حاوی پلاسمای با دمای بالا. توکامک برای حل مشکل همجوشی حرارتی کنترل شده و ایجاد یک راکتور گرما هسته ای طراحی و ساخته شد.

تله ها را باز کنید- نوعی تله مغناطیسی برای محدود کردن پلاسمای گرما هسته ای در یک حجم معین از فضا، محدود در جهت در امتداد میدان مغناطیسی. برخلاف تله‌های بسته (توکامک‌ها، ستاره‌ها)، که شکل یک چنبره دارند، تله‌های باز با هندسه خطی مشخص می‌شوند، با خطوط میدان مغناطیسی که سطوح انتهایی پلاسما را قطع می‌کنند. تله های باز دارای تعدادی مزیت بالقوه نسبت به تله های بسته هستند. آنها از نظر مهندسی ساده‌تر هستند، از انرژی میدان مغناطیسی که پلاسما را محدود می‌کند به طور مؤثرتری استفاده می‌کنند، مشکل حذف ناخالصی‌های سنگین و محصولات واکنش گرما هسته‌ای از پلاسما آسان‌تر حل می‌شود، و بسیاری از انواع تله‌های باز می‌توانند در یک دستگاه ثابت کار کنند. حالت با این حال، امکان تحقق این مزایا در یک راکتور همجوشی مبتنی بر تله‌های باز نیازمند شواهد تجربی است.

بر اساس مواد D. D. Ryutov، تله های باز، UFN 1988، ج 154، ص 565.

تله فیوژن

مؤسسه فیزیک هسته ای، مانند همه مؤسسات شعبه سیبری آکادمی علوم روسیه، نسبتاً جوان است: در سال 2008 تنها 50 ساله خواهد شد - همان سن متوسط ​​کارمندانش. مایه خوشحالی است که می بینیم اخیراً بسیاری از دانشجویان فارغ التحصیل و کارشناسی در BINP ظاهر شده اند که قصد دارند تحقیقات علمی خود را در دیوارهای آن ادامه دهند. مشخص است که جوانان امروز به جایی که جالب است، جایی که چشم اندازهای رشد وجود دارد، کشیده می شوند. و در INP بدون شک چنین چشم اندازهایی وجود دارد. همچنین باید تأکید کرد که انجام پیچیده ترین آزمایشات مدرن مستلزم تلاش نه یک فرد، بلکه یک تیم قدرتمند از افراد همفکر است. به همین دلیل است که هجوم نیروهای تازه نفس برای مؤسسه بسیار مهم است ...

پلاسما یک ماده مرموز است،
دارا بودن دارایی خودسازماندهی

پلاسما یک گاز یونیزه کامل یا جزئی است که در آن بار منفی کل ذرات برابر با بار مثبت کل است. و بنابراین، به طور کلی، این یک رسانه خنثی الکتریکی است، یا به قول فیزیکدانان، دارای خاصیت شبه خنثی است. این حالت ماده چهارمین حالت جمعی (پس از جامد، مایع و گاز) در نظر گرفته می شود و شکل طبیعی وجود در دماهای مرتبه 10000 درجه سانتیگراد و بالاتر است.

تحقیقات در مورد این حالت غیرعادی ماده در طبیعت بیش از یک قرن است که ادامه دارد. از نیمه دوم قرن بیستم، "جهت کلی" اجرای یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده خودپایدار (CTF) بوده است. لخته های پلاسمایی با دمای بالا در کیهان بسیار گسترده هستند: فقط به خورشید و ستاره ها اشاره کنید. اما در زمین بسیار کمی از آن وجود دارد. ذرات کیهانی و باد خورشیدی لایه بالایی پوسته جوی زمین (یونوسفر) را یونیزه می کنند و پلاسمای حاصل توسط میدان مغناطیسی زمین حفظ می شود. به عبارت دیگر نوعی تله مغناطیسی زمینی است. در دوره‌های افزایش فعالیت خورشیدی، جریان ذرات باردار از باد خورشیدی، مگنتوسفر سیاره را تغییر شکل می‌دهد. به دلیل ایجاد ناپایداری های هیدرومغناطیسی، پلاسما در ناحیه قطب ها به اتمسفر فوقانی نفوذ می کند - و گازهای اتمسفر، در تعامل با ذرات باردار پلاسما، برانگیخته و منتشر می شوند. این عامل پدیده شفق است که فقط در قطب ها قابل مشاهده است.

در کنار "جهت کلی" در مطالعه فیزیک پلاسما، موارد کاربردی دیگر، نه کمتر مهم، وجود دارد. این منجر به ظهور فناوری‌های جدید متعددی شده است: برش پلاسما، جوشکاری و عملیات سطح فلز. پلاسما را می توان به عنوان سیال کاری در موتورهای سفینه فضایی و لامپ های فلورسنت برای روشنایی استفاده کرد. استفاده از فناوری های پلاسما یک انقلاب واقعی در میکروالکترونیک ایجاد کرده است. نه تنها عملکرد پردازنده به طور قابل توجهی افزایش یافته و ظرفیت حافظه افزایش یافته است، بلکه میزان مواد شیمیایی مورد استفاده در تولید نیز به میزان قابل توجهی کاهش یافته است - بنابراین، سطح آسیب زیست محیطی به حداقل رسیده است.

پلاسمای متراکم با دمای بالا فقط در ستارگان وجود دارد، در زمین فقط در شرایط آزمایشگاهی می توان آن را به دست آورد. این حالت غیرعادی ماده با تعداد زیادی درجات آزادی و در عین حال توانایی خودسازماندهی و پاسخ به تأثیرات خارجی، تخیل را شگفت زده می کند. به عنوان مثال، پلاسما را می توان در یک میدان مغناطیسی نگه داشت و باعث می شود که شکل های مختلفی به خود بگیرد. با این حال، تلاش می‌کند تا حالتی را که از نظر انرژی برایش مساعدترین است، که اغلب منجر به ایجاد ناپایداری‌های مختلف می‌شود، بپذیرد، و مانند یک موجود زنده، از قفس سفت و سخت یک تله مغناطیسی رهایی یابد. این تله مناسب آن نیست به همین دلیل است که وظیفه فیزیکدانان ایجاد چنین شرایطی است تا پلاسما پایدار باشد، برای مدت طولانی و آرام در یک تله "زندگی" کند و تا دمای گرما هسته ای حدود 10 میلیون درجه سانتیگراد گرم شود.

امروزه دو تله پلاسمایی بزرگ منحصر به فرد در BINP با موفقیت در حال فعالیت هستند که حاصل کاربرد عملی ایده ها و اصول اصیل زاده شده در دیوارهای مؤسسه است. اینها تله های نوع باز هستند که به طور قابل توجهی با سیستم های مغناطیسی بسته محبوب متفاوت هستند. آنها با عظمت مرموز و در عین حال سهولت کار خود را شگفت زده می کنند. در طول کل تاریخ کار در تاسیسات، دانشمندان توانسته‌اند نتایج مهمی در مورد گرم کردن و محدود کردن پلاسمای داغ متراکم به دست آورند و همچنین تعدادی اکتشاف در رابطه با خواص اساسی این حالت چهارم ماده انجام دهند. هر سال چیزی جدید و غیرمعمول در شرایط مختلف برای زندگی در تله ها هنگام تغییر پیکربندی میدان مغناطیسی ، هنگام ایجاد میدان های الکتریکی ، هنگام اضافه کردن ناخالصی های مختلف و همچنین هنگام تزریق پرتوهای قدرتمند به پلاسما و "کاوشگر" پلاسما ارائه می شود. با تشخیص های مختلف و پلاسما، "واکنش" به چنین اقداماتی، هر چند با اکراه، عمیق ترین اسرار خود را با محققان در میان گذاشت...

تله دینامیک گاز (GDT)

نصب GDL که در مؤسسه فیزیک هسته‌ای نووسیبیرسک در سال 1986 ایجاد شد، به کلاس تله‌های باز تعلق دارد و حاوی پلاسما در میدان مغناطیسی است.

پیکربندی میدان مغناطیسی در یک تله متقارن محوری باز کلاسیک، ناحیه ای کشیده از یک میدان مغناطیسی یکنواخت با حداکثر در لبه ها است که با استفاده از سیم پیچ های حلقه ای یک میدان مغناطیسی قوی به دست می آید. نواحی زیر این سیم پیچ ها (آن مناطقی از فضا که توسط میدان مغناطیسی اشغال می شود که در آن به حداکثر مقدار خود می رسد) معمولاً "شاخه های مغناطیسی" نامیده می شوند و تله ای که طبق این اصل چیده شده است "سلول آینه ای" نامیده می شود. در ساده ترین حالت، میدان مغناطیسی در سلول آینه ای تنها توسط آینه های مغناطیسی ایجاد می شود.

ذرات باردار پلاسما (الکترون های منفی و یون های مثبت) در امتداد خطوط میدان مغناطیسی بین آینه های مغناطیسی حرکت می کنند و از آنها منعکس می شوند و بنابراین حرکات نوسانی را انجام می دهند. ذرات با انرژی جنبشی کافی برای غلبه بر مانع بالقوه دوشاخه در یک پرواز تله را ترک می کنند.

تفاوت بین یک تله دینامیک گاز (GDT) و یک سلول آینه ای معمولی که در بالا توضیح داده شد، وسعت زیاد بخش میدان همگن در مرکز تله و یک "نسبت آینه" بسیار بزرگ است (نسبت R = B 1 / B 2 مقدار میدان مغناطیسی در آینه و در مرکز تله). در این پیکربندی، میانگین مسیر آزاد یون‌ها در مقایسه با طول مقطع یک میدان مغناطیسی یکنواخت کوچک است، بنابراین خروج پلاسما از تاسیسات مطابق قوانین دینامیک گاز، مشابه خروج گاز به داخل رخ می‌دهد. خلاء از یک ظرف با یک سوراخ کوچک، که نام نصب را توضیح می دهد. با کوچک کردن «سوراخ‌ها» در آینه‌های مغناطیسی و حجم اشغال شده توسط پلاسما بزرگ، می‌توان زمان محبوس شدن پلاسما را برای انجام یک واکنش گرما هسته‌ای کنترل‌شده به دست آورد. درست است، طول چنین راکتور آینه ای چندین کیلومتر خواهد بود. اما استفاده از وسایل مختلف به اصطلاح دوقطبی که باعث کاهش جریان پلاسما به دوشاخه می شود، طول تله را تا حد معقولی کاهش می دهد. بنابراین، چشم انداز رآکتور چنین تله ای همچنان جذاب است. امیدوارکننده ترین کاربرد گرما هسته ای طرح محصورسازی پلاسما، ایجاد یک منبع ساده و قابل اعتماد از نوترون های سریع با انرژی 14 مگا الکترون ولت است که در واکنش همجوشی هسته های دوتریوم و تریتیوم متولد می شوند، بر اساس GDT. در واقع، این همان راکتور حرارتی (فقط با راندمان پایین)، مصرف کننده انرژی و تولید نوترون است. چنین مولد نوترونی می تواند برای انجام آزمایش های علم مواد اولین دیوار یک راکتور حرارتی صنعتی آینده یا تغذیه یک راکتور شکافت با نوترون های کم انرژی مورد استفاده قرار گیرد که انرژی هسته ای مدرن را ایمن می کند. پروژه یک منبع نوترونی مبتنی بر تله دینامیک گاز سال‌هاست در موسسه فیزیک هسته‌ای توسعه یافته است. به منظور آزمایش عملی پیش‌بینی‌های نظریه و جمع‌آوری پایگاه‌داده‌ای برای ایجاد منبع نوترونی، یک مدل تجربی از یک تله دینامیکی گاز - یک نصب GDL - در موسسه فیزیک هسته‌ای SB RAS ایجاد شد.

در حال حاضر، جامعه علمی بین المللی که با حل مشکل CTS سروکار دارد، ساخت بزرگترین تله پلاسما از نوع توکامک به نام ITER را آغاز کرده است. در دهه‌های آینده، ITER باید امکان بهره‌برداری از یک نیروگاه حرارتی هسته‌ای کنترل‌شده خودپایدار را بر اساس واکنش همجوشی دوتریوم و تریتیوم نشان دهد.
با این حال، بدیهی است که برای توسعه بیشتر انرژی گرما هسته‌ای در آینده و ساخت چنین ایستگاه‌هایی که برای دهه‌ها و حتی قرن‌ها کار خواهند کرد، امروزه لازم است مواد قابل اعتمادی انتخاب شوند که بتوانند در تمام طول عمر خود در برابر شارهای نوترونی قوی مقاومت کنند. . برای آزمایش چنین موادی، به یک منبع نوترونی قدرتمند نیاز است. BINP سالهاست که در حال توسعه پروژه ای برای چنین منبعی بر اساس GDL بوده است.
تمام اصول فیزیکی زیربنای یک منبع نوترونی فشرده و نسبتاً ارزان مبتنی بر یک تله باز دینامیک گاز در حال حاضر در یک آزمایش واقعی در مورد تجمع، محصور کردن و گرمایش پلاسما در یک تاسیسات GDT مورد مطالعه قرار می‌گیرند. در حال حاضر، اندازه گیری های مستقیم شار نوترون ساطع شده در آزمایش هایی با تزریق دوتریوم انجام می شود. واکنش همجوشی دوتریوم-دوتریوم تحت پارامترهای تجربی داده شده، به طور کلی، یک شار کوچک در مقایسه با واکنش دوتریوم-تریتیوم ایجاد می کند. اما برای بررسی محاسبات مدل، که قرار است در آینده برای محاسبات راکتور منبع استفاده شود، کاملاً کافی است. دسامبر امسال، نصب 22 ساله می شود: اولین پلاسما در پایان سال 1985 به دست آمد. کسانی که آن را ساخته و راه اندازی کردند، هنوز در آزمایشگاه کار می کنند.
اما تیم همچنین با کارمندان جدید، جوان و پرانرژی پر شده است: برخی از آنها هم سن خود نصب GDL هستند.

بخش اصلی نصب یک سلول آینه متقارن محوری به طول 7 متر، با میدان 0.3 T در مرکز و تا 10 T در شاخه ها است که برای حاوی پلاسمای دو جزئی طراحی شده است.

یکی از اجزا - پلاسمای "هدف" گرم - دارای دمای الکترون و یون تا 100 eV (این تقریباً 1200000 درجه سانتیگراد است) و چگالی ~ 51019 ذره در متر مکعب است. این جزء با حالت محصور شدن دینامیک گاز که در بالا توضیح داده شد مشخص می شود. جزء دیگر یون های سریع با انرژی متوسط ​​~ 10000 eV و چگالی تا 2 10 19 ذره در متر مکعب است. آنها در نتیجه یونیزاسیون در پلاسمای هدف پرتوهای قدرتمند اتم ها تشکیل می شوند که با استفاده از دستگاه های ویژه - انژکتورهای اتم خنثی به طور مورب به دام تزریق می شوند. این جزء سریع با همان حالت محصور شدن در سلول آینه ای کلاسیک مشخص می شود: یون های سریع در مدارهای مغناطیسی در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت می کنند و از ناحیه ای با میدان مغناطیسی قوی منعکس می شوند. در این حالت، یون‌های سریع هنگام تعامل با ذرات پلاسمای هدف (عمدتاً الکترون‌ها) کند می‌شوند و آن را تا 100 eV و بالاتر گرم می‌کنند. با تزریق مورب و پراکندگی زاویه‌ای کوچک ذرات، چگالی یون‌های سریع به شدت در نزدیکی ناحیه انعکاس قرار می‌گیرد (بزرگ) و این شرایط برای اجرای یک منبع نوترونی جذاب‌ترین است. واقعیت این است که شار نوترون در واکنش همجوشی با مربع چگالی یون‌های دوتریوم و تریتیوم متناسب است. و بنابراین، با چنین انتخاب چگالی، تنها در منطقه توقف متمرکز خواهد شد، جایی که "منطقه آزمایش" در آن قرار دارد. بقیه فضای نصب بار نوترونی بسیار کمتری را تجربه خواهد کرد که نیاز به حفاظت نوترونی گران قیمت تمام اجزای ژنراتور را از بین می برد.

یک مشکل مهم در راه ایجاد یک راکتور و منبع نوترون بر اساس یک سلول آینه ای متقارن محوری، تثبیت پلاسما در سراسر میدان مغناطیسی است. در طرح GDT، این به لطف بخش های اضافی ویژه با مشخصات میدان مغناطیسی مطلوب برای پایداری، که در پشت شاخه های مغناطیسی قرار دارند و از تثبیت پلاسما قابل اطمینان اطمینان حاصل می شود، به دست می آید.

یکی دیگر از مشکلات مهم همجوشی حرارتی کنترل شده (CTF) بر اساس تله های باز، عایق حرارتی پلاسما از دیواره انتهایی است. واقعیت این است که بر خلاف سیستم های بسته مانند توکامک یا استلاراتور، پلاسما از یک تله باز خارج شده و وارد گیرنده های پلاسما می شود. در این حالت، الکترون‌های سردی که تحت اثر جریان از سطح گیرنده پلاسما ساطع می‌شوند، می‌توانند دوباره به داخل تله نفوذ کرده و پلاسما را تا حد زیادی خنک کنند. در آزمایش‌هایی که حبس طولی را در یک تاسیسات GDL مطالعه می‌کنند، می‌توان نشان داد که میدان مغناطیسی در حال انبساط در پشت پلاگ جلوی گیرنده پلاسما در مخازن انتهایی - انبساط‌کننده‌ها - از نفوذ الکترون‌های سرد به تله جلوگیری می‌کند و عایق حرارتی موثری را فراهم می‌کند. از دیوار انتهایی

در چارچوب برنامه آزمایشی GDL، کار در حال انجام مربوط به افزایش پایداری، دمای هدف و چگالی ذرات پلاسما سریع است. با مطالعه رفتار آن در شرایط مختلف عملیاتی تاسیسات و غیره. مطالعه خواص بنیادی نیز در حال انجام است. شایان ذکر است که دامنه علایق علمی و تحقیقات مرتبط با پلاسما بسیار گسترده است.

نصب GDL مجهز به مدرن ترین ابزارهای تشخیصی است. اکثر آنها در آزمایشگاه ما توسعه یافته اند و از جمله به صورت قراردادی به آزمایشگاه های پلاسما دیگر از جمله آزمایشگاه های خارجی عرضه می شوند.

تیم دانشمندان، مهندسان و تکنسین‌هایی که در تاسیسات GDT تحقیق می‌کنند، کوچک، اما فوق‌العاده توانا هستند. سطح بالای صلاحیت همه اعضای آن به آنها کمک می کند تا به نتایج بالایی دست یابند. علاوه بر این، نیروی کار علمی به طور مداوم با "خون جوان" پر می شود - فارغ التحصیلان دانشگاه دولتی نووسیبیرسک و دانشگاه فنی دولتی نووسیبیرسک. دانش‌آموزان دوره‌های مختلف که تحت آموزش عملی در آزمایشگاه قرار می‌گیرند، از همان روزهای اول در آزمایش‌ها شرکت می‌کنند و از این طریق سهم مستقیمی در ایجاد دانش جدید دارند. پس از اولین دوره، آنها برای آموزش عملی در آزمایشگاه باقی می مانند، با موفقیت از دیپلم خود دفاع می کنند، وارد مقطع کارشناسی ارشد می شوند و پایان نامه های داوطلب خود را آماده می کنند. ما پنهان نخواهیم کرد که این ما، رهبران علمی را بسیار خوشحال می کند.

یک تله دیگر - "GOL-3" - و یک زاویه کمی متفاوت در همجوشی گرما هسته ای

بشریت در حال تجربه کمبود برق است و در آینده نزدیک این مشکل به یک اولویت تبدیل خواهد شد: متأسفانه ذخایر سوخت - نفت و گاز - که در نیروگاه های اصلی مدرن استفاده می شود در حال اتمام است. به همین دلیل است که راکتورهای حرارتی هسته ای باید اساس صنعت برق آینده شوند.

واکنش‌های گرما هسته‌ای واکنش‌های همجوشی هسته‌های سبک مانند ایزوتوپ‌های هیدروژن دوتریوم و تریتیوم هستند که مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند. برای انجام این واکنش ها به دمای بالا - بیش از 10 میلیون درجه سانتیگراد - نیاز است. مشخص است که هر ماده ای در دمای بیش از 10 هزار درجه سانتیگراد به پلاسما تبدیل می شود. تماس با یک جسم جامد منجر به خنک شدن آنی و تخریب انفجاری سطح جسم جامد می شود، بنابراین پلاسما باید از ساختار جدا شود: برای این منظور در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد.

گرم کردن یک ماده تا دمای بسیار زیاد و نگه داشتن آن در یک میدان مغناطیسی برای مدت طولانی بسیار دشوار است - و بنابراین بسیاری از کارشناسان همجوشی گرما هسته‌ای کنترل شده (CTF) را سخت‌ترین کاری می‌دانند که تاکنون بشر با آن مواجه شده است.

نصب GOL-3 در موسسه فیزیک هسته‌ای SB RAS برای گرم کردن و حاوی پلاسمای گرما هسته‌ای در یک میدان مغناطیسی چند آینه طراحی شده است. این نصب از سه بخش اصلی تشکیل شده است: شتاب دهنده U-2، یک شیر برقی 12 متری (واحدی برای ایجاد میدان مغناطیسی قوی) و یک واحد خروجی.

پرتو الکترونی مورد استفاده در نصب توسط قدرتمندترین شتاب دهنده جهان (در کلاس خود) U-2 ایجاد شده است. در آن، الکترون ها توسط یک میدان الکتریکی از یک کاتد انتشار مواد منفجره کشیده می شوند و با ولتاژی حدود 1 میلیون ولت شتاب می گیرند. در جریان 50000 آمپر، قدرت سیستم به 50 گیگاوات می رسد. (اما کل نووسیبیرسک در طول روز 20 برابر انرژی کمتری مصرف می کند.) با طول مدت پرتو حدود 8 میکروثانیه، تا 200000 ژول انرژی (که معادل انفجار یک نارنجک دستی است) دارد.

در شیر برقی اصلی، هنگامی که یک پرتو از پلاسمای دوتریوم با چگالی n = 10 20 -10 22 ذره بر متر مکعب عبور می کند، به دلیل ایجاد ناپایداری دو جریان، سطح زیادی از ریزتوربولانس ایجاد می شود و پرتو از بین می رود. تا 40 درصد انرژی خود را به الکترون های پلاسما منتقل می کند. سرعت گرمایش بسیار بالا است: در 3-4 میکروثانیه، الکترون های پلاسما تا دمای حدود 2000-4000 eV (23-46 میلیون درجه سانتیگراد: 1 eV = 11600 درجه سانتیگراد) گرم می شوند - این یک رکورد جهانی برای تله های باز است. (برای مقایسه: در نصب 2XIIB در ایالات متحده، دما از 300 eV در مقابل 2000-4000 eV در GOL-3 تجاوز نمی کند).

میدان مغناطیسی در شیر برقی اصلی چند آینه ای (55 سلول آینه ای) است، یعنی حداکثر (5 T) و حداقل (3 T) میدان متناوب و فاصله بین ماکزیمم (22 سانتی متر) در حد است. طول مسیر یونی این منجر به چه چیزی می شود: اگر یک یون از یک سلول آینه ای منفرد خارج شود و در امتداد میدان مغناطیسی پرواز کند، در یک سلول آینه ای همسایه با ذره دیگری برخورد می کند، در نتیجه می تواند توسط یک سلول آینه ای همسایه گرفته شود و سپس آن را جذب کند. "فراموش می کند" کجا پرواز می کرد. بنابراین، گسترش پلاسما از تله به طور قابل توجهی کند می شود. اما زمان ماندگاری پلاسمای داغ در GOL-3 تا 1 میلی ثانیه است که می توان آن را یک دستاورد بدون شک دانشمندان دانست.

آینه های متعدد منجر به ناهمگنی در انتقال انرژی از پرتو به الکترون های پلاسما می شود: جایی که میدان مغناطیسی قوی تر است، گرمایش الکترون ها قوی تر است. هنگامی که توسط یک پرتو گرم می شود، سطح بالایی از تلاطم به سرکوب قوی (بیش از هزار بار) هدایت حرارتی الکترونیکی کمک می کند، بنابراین ناهمگونی های دما یکسان نمی شوند، و در نتیجه، تفاوت های زیادی در فشار پلاسما رخ می دهد: به همین دلیل، پلاسما به طور کلی شروع به حرکت می کند. از مناطق پرفشار تا حداقل فشار در هر دو طرف، دو جریان پلاسمای متقابل شروع به حرکت می‌کنند که با هم برخورد می‌کنند و تا دمای 1-2 کو گرم می‌شوند (کمی بالاتر از مرکز خورشید است). این مکانیسم گرمایش سریع چهار سال پیش در GOL-3 طی آزمایش‌هایی کشف شد. از این نظریه نتیجه گرفت که باید با جهش های شدید در چگالی پلاسما همراه باشد که به زودی توسط پراکندگی پرتو لیزر تامسون کشف شد.

پس از عبور از شیر برقی اصلی، پرتو وارد گره خروجی می شود که قادر است پرتوی قدرتمند از الکترون ها و همچنین جریان پلاسما را بدون تخریب دریافت کند. برای این کار میدان مغناطیسی در گره خروجی باید واگرا باشد که چگالی انرژی در پرتو را به میزان 50 کاهش می دهد و گیرنده پرتو باید گرافیت باشد. ویژگی گرافیت، اولا، این است که فاز مایع ندارد، بلافاصله تبخیر می شود. ثانیاً چگالی کمی دارد (2 گرم بر سانتی‌متر مکعب) و به همین دلیل دامنه الکترون موجود در آن بیشتر از فلزات است و بنابراین انرژی در حجم بیشتری آزاد می‌شود و از آستانه تخریب انفجاری تجاوز نمی‌کند. گرافیت، و بنابراین فرسایش گرافیت کوچک است - حدود 1 میکرون در هر شات. وجود یک جریان پلاسمای قدرتمند در خروجی تاسیسات، انجام آزمایش‌هایی را در مورد تابش مواد برای راکتورهای گرما هسته‌ای آینده ممکن می‌سازد: این راکتورها در معرض چنین سطح بالایی از بارهای حرارتی قرار خواهند گرفت که در حال حاضر غیر واقعی است. در سایر تاسیسات پلاسما به دست آید.

کار مهم دیگری که می توان با استفاده از گره خروجی حل کرد، اطمینان از ایمنی حمل و نقل پرتو از طریق شیر برقی اصلی است. پیچیدگی مشکل در این واقعیت است که جریان پرتو در شیر برقی (30 کیلو آمپر) بیشتر از آستانه پایداری است (برای دوربین GOL-3 - 12 کیلو آمپر)، بنابراین پرتو ناپایدار است و می توان آن را روی دیوار پرتاب کرد. یا سازه های درون محفظه ای که منجر به تخریب آنها می شود. برای این منظور، قبل از تزریق پرتو، باید یک تخلیه (صاعقه) در گره خروجی زده شود و سپس شیر برقی اصلی با پلاسمای اولیه نسبتا سرد (چند eV) پر می شود که در آن، با تزریق پرتو الکترونی، یک جریان متقابل القا می شود و جریان پرتو را کاملاً جبران می کند که به طور کلی پایداری سیستم را تضمین می کند (کل جریان از 3 کیلو آمپر تجاوز نمی کند).

یکی از جدی ترین مشکلات CTS پایداری پلاسما است، یعنی ایجاد شرایطی که تحت آن پلاسما نمی تواند تله را در سراسر میدان مغناطیسی به دلیل ایجاد ناپایداری های مختلف پلاسما ترک کند. برای تله های باز، خطرناک ترین ناپایداری شیار است. ماهیت آن این است که پلاسما خطوط مغناطیسی نیرو را از هم جدا می کند و بین آنها می لغزد. در پلاسمای GOL-3، این ناپایداری به دلیل جابجایی خطوط میدان مغناطیسی در شعاع‌های مختلف پلاسما، که به دلیل پیکربندی پیچیده جریان‌ها در پلاسما ایجاد می‌شود، سرکوب می‌شود. جریان پرتو در مرکز پلاسما جریان دارد و همچنین سطح بالایی از تلاطم وجود دارد. جریان معکوس از پلاسما عبور می کند، اما به دلیل تلاطم در مرکز، مقاومت آن افزایش می یابد - و جریان معکوس در امتداد سطح طناب پلاسما جریان می یابد. جریان مستقیم یک میدان مغناطیسی دایره ای در اطراف خود ایجاد می کند که همراه با میدان طولی شیر برقی، یک میدان مغناطیسی مارپیچی ایجاد می کند. در شعاع های مختلف، جریان متفاوت است (و در جهات مختلف جریان دارد) - بنابراین، گام و جهت مارپیچ نیز متفاوت است. به همین دلیل است که وقتی یک شیار پلاسما خطوط میدان مغناطیسی را در یک شعاع از هم جدا می‌کند، با خطوط میدان در زاویه‌ای متفاوت برخورد می‌کند و نمی‌تواند آنها را از هم جدا کند - اینگونه است که ناپایداری شیار سرکوب می‌شود.

تشخیص پلاسمای داغ نیز کار دشواری است، یعنی تعیین دما، ترکیب، چگالی، قدرت میدان مغناطیسی و موارد دیگر. شما نمی توانید دماسنج را در آنجا وارد کنید - ممکن است منفجر شود - و پلاسما خنک می شود. لازم است از روش های مختلف مختلفی استفاده شود که به غیرفعال و فعال تقسیم می شوند. با استفاده از تشخیص غیرفعال، می توانید آنچه را که پلاسما ساطع می کند مطالعه کنید. با کمک اتم های فعال، مثلاً نور لیزر یا پرتوهای اتم را به پلاسما تزریق کنید و ببینید چه چیزی از آن خارج می شود.

در میان تشخیص غیرفعال، نصب GOL-3 آشکارسازهای فوتون و طیف‌سنج‌ها در نواحی مرئی، فرابنفش، اشعه ایکس و گاما، آشکارسازهای نوترون، آشکارساز خنثی تبادل بار، کاوشگرهای دیامغناطیسی و کمربندهای روگوفسکی را اجرا می‌کند. سیستم‌های فعال شامل چندین سیستم لیزر، یک انژکتور پرتو اتمی و یک انژکتور دانه‌های حالت جامد هستند.

اگرچه توکاماک‌ها در حال حاضر به پارامترهای راکتور نزدیک‌تر هستند (دمای و زمان محصور شدن بالاتری دارند)، به لطف GOL-3، تله‌های چند آینه‌ای نیز به عنوان گونه‌ای از یک راکتور همجوشی در نظر گرفته می‌شوند. چگالی پلاسما در GOL-3 به طور متوسط ​​تقریباً صد برابر بیشتر از توکامک است؛ علاوه بر این، بر خلاف توکامک ها، هیچ محدودیتی در فشار پلاسما در این نصب وجود ندارد. اگر فشار با فشار میدان مغناطیسی قابل مقایسه باشد (5T فشاری معادل 100 اتمسفر ایجاد می کند)، تله به حالت محصور شدن دیوار می رود - میدان مغناطیسی که از پلاسما به بیرون رانده می شود (از آنجایی که پلاسما diamagnetic) در نزدیکی دیواره های محفظه متمرکز و افزایش می یابد و همچنان قادر به نگه داشتن پلاسما خواهد بود. در حال حاضر، هیچ دلیل واحدی وجود ندارد که اساساً رشد پارامترهای اصلی گرما هسته ای (n، T و زمان محصور شدن) را در تله های چند آینه ای محدود کند.

وظیفه اصلی امروز تیم نصب GOL-3 توسعه مفهوم یک راکتور گرما هسته ای چند آینه و همچنین تأیید تجربی مفاد اصلی این مفهوم است.

نه با نان تنها... بلکه با نان نیز

تحقیقات پلاسما را نمی توان بدون تشخیص انجام داد، و بنابراین پیشرفت های BINP به راحتی خریداری می شوند. این موسسه برای تامین برخی ابزارهای تشخیصی قرارداد منعقد می کند و محققان در کارگاه های خود مشغول ساخت و مونتاژ این ابزارها هستند. اینها عمدتاً انژکتورهای تشخیصی هستند، اما برخی از دستگاه های نوری، تداخل سنج و غیره نیز وجود دارد. موضوع ثابت نمی ماند: BINP همچنین می داند که چگونه کسب درآمد کند.

ادبیات

1. A. Burdakov، A. Azhannikov، V. Astrelin، A. Beklemishev، V. Burmasov اصلا. گرمایش و محصور کردن پلاسما در تله چند آینه ای GOL-3 // معاملات علم و فناوری فیوژن. - 2007. - جلد. 51. - نه. 2T. - صص 106-111.

2. A. V. Arzhannikov، V. T. Astrelin، A. V. Burdakov، I. A. Ivanov، V. S. Koidan، S. A. Kuznetsov، K. I. Mekler، S. V. Polosatkin، V. V. Postupaev، A. F. Rovenskikh، S. L. S.Solinskikh. مطالعه مکانیسم گرمایش سریع یونها در تله چند آینه ای GOL-3 // فیزیک پلاسما. - 2005. - T. 31. - شماره 6. - ص 506-520.

احتمالاً هیچ زمینه ای از فعالیت انسانی به اندازه تلاش برای ایجاد انرژی گرما هسته ای پر از ناامیدی و قهرمانان طرد شده وجود ندارد. صدها مفهوم راکتور، ده ها تیم که به طور مداوم مورد علاقه بودجه عمومی و دولتی قرار گرفتند و در نهایت به نظر می رسید که یک برنده در قالب توکامک وجود دارد. و در اینجا دوباره - دستاوردهای دانشمندان نووسیبیرسک در حال احیای علاقه در سراسر جهان به مفهومی است که در دهه 80 بی رحمانه زیر پا گذاشته شد. و اکنون جزئیات بیشتر

یک تله GDL باز که نتایج چشمگیری به همراه داشت

در میان انواع پیشنهادات در مورد چگونگی استخراج انرژی از همجوشی گرما هسته ای، آنها بیشتر به سمت محصور شدن ثابت یک پلاسمای گرما هسته ای نسبتا شل هستند. به عنوان مثال، پروژه ITER و به طور گسترده تر - تله های حلقوی توکامک و ستاره سازها - از اینجا می آیند. آنها حلقوی هستند زیرا این ساده ترین شکل یک ظرف بسته است که از میدان های مغناطیسی ساخته شده است (به دلیل قضیه شانه زدن جوجه تیغی، یک ظرف کروی نمی توان ساخت). با این حال، در آغاز تحقیقات در زمینه همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده، موارد مورد علاقه تله‌هایی با هندسه سه‌بعدی پیچیده نبودند، بلکه تلاش‌هایی برای مهار پلاسما در تله‌های به اصطلاح باز بود. اینها معمولاً رگهای مغناطیسی استوانه ای هستند که در آنها پلاسما به خوبی در جهت شعاعی نگه داشته شده و از هر دو انتها به بیرون جریان می یابد. ایده مخترعان در اینجا ساده است - اگر گرم شدن پلاسمای جدید توسط یک واکنش گرما هسته ای سریعتر از مصرف گرما که از انتها نشت می کند پیش رود - آنگاه خدا رحمتش کند، با باز بودن ظرف ما، انرژی تولید می شود. ، اما نشت همچنان در مخزن خلاء رخ می دهد و سوخت تا زمانی که بسوزد در راکتور راه می رود.

ایده یک تله باز یک استوانه مغناطیسی با شاخه ها/آینه ها در انتها و منبسط کننده ها در پشت آنها است.

علاوه بر این، در تمام تله های باز، از یک یا روش دیگر برای جلوگیری از فرار پلاسما از انتها استفاده می شود - و ساده ترین کار در اینجا افزایش شدید میدان مغناطیسی در انتها است (نصب "شاخه های" مغناطیسی در اصطلاح روسی یا "آینه ها" در اصطلاح غربی)، در حالی که ذرات باردار ورودی، در واقع از شاخه های آینه باز می گردند و تنها بخش کوچکی از پلاسما از آنها عبور می کند و وارد منبسط کننده های ویژه می شود.

و یک تصویر شماتیک کمی از قهرمان امروز - یک اتاقک خلاء اضافه شده است که در آن پلاسما پرواز می کند و انواع تجهیزات.

اولین آزمایش با یک تله "آینه" یا "باز"، خیار کیو، در سال 1955 در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آمریکا انجام شد. این آزمایشگاه سال‌هاست که در توسعه مفهوم CTS بر اساس تله‌های باز (OT) پیشرو بوده است.

اولین آزمایش جهان - یک تله باز با آینه های مغناطیسی Q-خیار

در مقایسه با رقبای بسته، مزایای OL شامل هندسه بسیار ساده تر راکتور و سیستم مغناطیسی آن و در نتیجه هزینه پایین آن است. بنابراین، پس از سقوط اولین راکتور مورد علاقه CTS - راکتورهای Z-pinch، تله‌های باز حداکثر اولویت و بودجه را در اوایل دهه 60 دریافت کردند، زیرا آنها وعده راه‌حلی سریع برای پول کم را داده بودند.

اوایل دهه 60، تله رومیزی

با این حال، تصادفی نبود که همان Z-pinch بازنشسته شد. تشییع جنازه او با تجلی ماهیت پلاسما همراه بود - بی ثباتی هایی که تشکیلات پلاسما را در هنگام تلاش برای فشرده سازی پلاسما با یک میدان مغناطیسی از بین می برد. و دقیقاً همین ویژگی بود که 50 سال پیش به خوبی مورد مطالعه قرار نگرفته بود، که بلافاصله آزمایش‌کنندگان را با تله‌های باز تحریک کرد. ناپایداری های فلوت ما را مجبور می کند که سیستم مغناطیسی را پیچیده کنیم، علاوه بر شیر برقی های گرد ساده، "میله های آیوف"، "تله های بیس بال" و "سیم پیچ های یین یانگ" و کاهش نسبت فشار میدان مغناطیسی به فشار پلاسما (پارامتر β) .

تله آهنربای ابررسانا بیس بال بیس بال II، اواسط دهه 70

علاوه بر این، نشت پلاسما برای ذرات با انرژی های مختلف به طور متفاوتی اتفاق می افتد، که منجر به عدم تعادل پلاسما (یعنی طیف غیر ماکسولی از سرعت ذرات)، که باعث تعدادی ناپایداری های ناخوشایند دیگر می شود. این ناپایداری ها، به نوبه خود، "تکان دادن" پلاسما خروج آن را از طریق سلول های آینه انتهایی سرعت می بخشد. در پایان دهه 60، نسخه های ساده تله های باز به حداکثر دما و چگالی پلاسمای محدود رسیدند و این ارقام بسیار زیاد بود. مرتبه های قدر کمتر از مقدار مورد نیاز برای یک واکنش گرما هسته ای. مشکل عمدتاً سرد شدن سریع طولی الکترون ها بود که سپس باعث از دست دادن انرژی یون ها شد. ایده های جدید مورد نیاز بود.

موفق ترین تله دوقطبی TMX-U

فیزیکدانان راه حل های جدیدی را پیشنهاد می کنند که عمدتاً به بهبود محصورسازی طولی پلاسما مربوط می شود: محصور شدن دوقطبی، تله های موج دار و تله های دینامیکی گاز.

• محصور شدن دوقطبی بر این واقعیت استوار است که الکترون ها از یک تله باز 28 برابر سریعتر از یون های دوتریوم و تریتیوم "جریان" می کنند و اختلاف پتانسیل در انتهای تله ایجاد می شود - از یون های داخل و منفی از بیرون. اگر میدان‌های دارای پلاسمای متراکم در انتهای نصب تقویت شوند، پتانسیل دوقطبی در پلاسمای متراکم از پراکندگی محتویات داخلی کمتر متراکم جلوگیری می‌کند.
• تله های راه راه یک میدان مغناطیسی "آجدار" را در انتها ایجاد می کنند که در آن انبساط یون های سنگین به دلیل "اصطکاک" در برابر میدان تله قفل شده در "حفره ها" کند می شود.
• در نهایت، تله‌های دینامیک گاز با یک میدان مغناطیسی، آنالوگ یک کشتی با سوراخ کوچکی را ایجاد می‌کنند که از آن پلاسما با سرعت کمتری نسبت به «شاخه‌های آینه‌ای» جریان می‌یابد.

جالب است که همه این مفاهیم که بر اساس آنها تاسیسات آزمایشی ساخته شده است، نیازمند پیچیدگی بیشتر مهندسی تله های باز است. اول از همه، در اینجا، برای اولین بار، شتاب دهنده های پیچیده پرتوهای خنثی در CTS ظاهر می شوند که پلاسما را گرم می کنند (در اولین تاسیسات، گرمایش با تخلیه الکتریکی معمولی حاصل می شد) و چگالی آن را در نصب تعدیل می کند. گرمایش فرکانس رادیویی نیز اضافه شده است که برای اولین بار در اواخر دهه 60/70 در توکامک ظاهر شد. تاسیسات بزرگ و گران قیمت در حال ساخت هستند: گاما-10 در ژاپن، TMX در ایالات متحده، AMBAL-M، GOL و GDL در موسسه فیزیک هسته ای نووسیبیرسک.

نمودار سیستم مغناطیسی و گرمایش پلاسما گاما-10 به وضوح نشان می دهد که محلول های OL تا دهه 80 تا چه حد از راه حل های ساده فاصله داشتند.

در همان زمان، در سال 1975، در تله 2X-IIB، محققان آمریکایی برای اولین بار در جهان به دمای یون نمادین 10 کو دست یافتند - بهینه برای سوزاندن دوتریوم و تریتیوم از طریق حرارت هسته ای. لازم به ذکر است که در دهه های 60 و 70 آنها به هر نحوی با پیگیری دمای مطلوب مشخص شدند، زیرا ... دما تعیین می کند که آیا راکتور اصلاً کار خواهد کرد یا خیر، در حالی که دو پارامتر دیگر - چگالی و سرعت نشت انرژی از پلاسما (یا معمولاً "زمان نگه داشتن" نامیده می شود) را می توان با افزایش اندازه راکتور جبران کرد. با این حال، علیرغم دستاورد نمادین، 2X-IIB بسیار دور از نامیده شدن راکتور بود - توان خروجی نظری 0.1٪ از انرژی صرف شده برای محصور کردن و گرمایش پلاسما بود. یک مشکل جدی باقی ماندن دمای پایین الکترون ها - حدود 90 eV در برابر پس زمینه یون های 10 کو، مربوط به این واقعیت است که به هر طریقی الکترون ها در برابر دیواره های محفظه خلاء که تله در آن قرار داشت سرد می شدند.

عناصر تله دوقطبی اکنون از بین رفته AMBAL-M

آغاز دهه 80 اوج توسعه این شاخه از CTS بود. اوج توسعه پروژه MFTF آمریکا به ارزش 372 میلیون دلار است (یا 820 میلیون دلار به قیمت های امروزی که هزینه پروژه را به ماشین هایی مانند Wendelstein 7-X یا K-STAR tokamak نزدیک می کند).

ماژول های مغناطیسی ابررسانا MFTF…

و بدنه 400 تنی آهنربای ابررسانای انتهایی آن

این یک تله دوقطبی با آهنرباهای ابررسانا بود. پایانه شاهکار "یین یانگ"، سیستم های متعدد و گرمایش تشخیص پلاسما، یک رکورد از همه جهات. برای رسیدن به Q=0.5 برنامه ریزی شده بود، یعنی. انرژی خروجی یک واکنش حرارتی فقط دو برابر کمتر از هزینه حفظ عملکرد راکتور است. این برنامه چه نتایجی به دست آورده است؟ با یک تصمیم سیاسی در ایالتی نزدیک به آمادگی برای پرتاب بسته شد.

MFTF "یین یانگ" را در حین نصب در محفظه خلاء 10 متری نصب پایان دهید. قرار بود طول آن به 60 متر برسد.

علیرغم این واقعیت که توضیح این تصمیم، که از همه طرف شوکه کننده است، بسیار دشوار است، من سعی خواهم کرد.
در سال 1986، زمانی که MFTF آماده راه اندازی شد، ستاره مورد علاقه دیگری در افق مفاهیم TCB روشن شد. جایگزینی ساده و ارزان برای تله‌های باز "برنزی" که در این زمان در برابر مفهوم اولیه دهه 60 بسیار پیچیده و گران شده بود. سیستم های گرمایش پلاسما، مدارهای گیج کننده سرکوب ناپایداری - به نظر می رسید که چنین تاسیسات پیچیده هرگز به نمونه اولیه یک نیروگاه حرارتی هسته ای تبدیل نخواهند شد.

JET در پیکربندی محدود کننده اصلی و کویل های مسی.

پس توکامکس. در اوایل دهه 80، این ماشین ها به پارامترهای پلاسمایی کافی برای سوزاندن یک واکنش گرما هسته ای رسیدند. در سال 1984 توکامک JET اروپایی راه اندازی شد که باید Q=1 را نشان دهد و از آهنرباهای مسی ساده استفاده می کند که قیمت آن فقط 180 میلیون دلار است. در اتحاد جماهیر شوروی و فرانسه، توکاماک های ابررسانا در حال طراحی هستند که تقریبا هیچ انرژی را در عملکرد سیستم مغناطیسی هدر نمی دهند. در عین حال، فیزیکدانانی که سال‌ها بر روی تله‌های باز کار می‌کنند، نتوانسته‌اند در افزایش پایداری پلاسما و دمای الکترون پیشرفت کنند و وعده‌ها برای دستاوردهای MFTF به طور فزاینده‌ای مبهم می‌شوند. به هر حال، دهه های بعدی نشان خواهند داد که شرط بندی روی توکاماک ها نسبتاً موجه است - این تله ها بودند که به سطح قدرت رسیدند و Q که مورد علاقه مهندسان قدرت بود.

موفقیت تله های باز و توکامک ها تا آغاز دهه 80 در نقشه "پارامتر سه گانه". JET در سال 1997 کمی بالاتر از "TFTR 1983" خواهد رسید.

تصمیم در مورد MFTF در نهایت موقعیت این جهت را تضعیف می کند. اگرچه آزمایش‌ها در مؤسسه فیزیک هسته‌ای نووسیبیرسک و تأسیسات گاما-10 ژاپن ادامه دارد، برنامه‌های نسبتاً موفق پیشینیان آنها TMX و 2X-IIB نیز در ایالات متحده بسته می‌شوند.
پایان داستان؟ خیر به معنای واقعی کلمه در برابر چشمان ما، در سال 2015، یک انقلاب آرام شگفت انگیز در حال وقوع است. محققان موسسه فیزیک هسته ای به نام. بودکرا در نووسیبیرسک، که به طور مداوم تله GDL را بهبود می بخشید (به هر حال، باید توجه داشت که در غرب، تله های دوقطبی به جای گاز دینامیک غالب بود) ناگهان به پارامترهای پلاسما می رسد که توسط شکاکان در دهه 80 "غیرممکن" پیش بینی می شد.

یک بار دیگر GDL. سیلندرهای سبز رنگی که در جهات مختلف بیرون زده اند، انژکتورهای خنثی هستند که در زیر به آنها پرداخته می شود.

سه مشکل اصلی که تله‌های باز را مدفون کرده‌اند عبارتند از: پایداری MHD در یک پیکربندی متقارن محوری (نیاز به آهنرباهای پیچیده شکل)، عدم تعادل تابع توزیع یون (ریز ناپایداری)، و دمای الکترون پایین. در سال 2015، GDL با مقدار بتا 0.6 به دمای الکترونی 1 کو رسید. چگونه این اتفاق افتاد؟
خروج از تقارن محوری (استوانه‌ای) در دهه 60 در تلاش برای غلبه بر شیار و سایر ناپایداری‌های پلاسمایی MHD، علاوه بر پیچیدگی سیستم‌های مغناطیسی، منجر به افزایش اتلاف حرارت از پلاسما در جهت شعاعی شد. گروهی از دانشمندان که با GDL کار می‌کردند، از ایده‌ای در دهه 80 برای اعمال میدان الکتریکی شعاعی استفاده کردند که پلاسمای گردابی ایجاد می‌کرد. این رویکرد به یک پیروزی درخشان منجر شد - با بتا 0.6 (اجازه دهید یادآوری کنم که این نسبت فشار پلاسما به فشار میدان مغناطیسی یک پارامتر بسیار مهم در طراحی هر رآکتور گرما هسته ای است - زیرا سرعت و چگالی آزاد شدن انرژی توسط آن تعیین می شود. فشار پلاسما، و هزینه راکتور تعیین می شود قدرت آهنرباهای آن)، در مقایسه با پلاسما توکامک 0.05-0.1 پایدار است.

ابزار اندازه گیری "تشخیصی" جدید به ما امکان می دهد تا فیزیک پلاسما را در GDT بهتر درک کنیم.

دومین مشکل مربوط به ریزناپایداری‌ها، ناشی از کمبود یون‌های دمای پایین (که توسط پتانسیل دوقطبی از انتهای تله کشیده می‌شوند) با کج کردن انژکتورهای پرتو خنثی در یک زاویه حل شد. این آرایش پیک های چگالی یونی را در امتداد تله پلاسما ایجاد می کند که یون های "گرم" را از فرار به دام می اندازد. یک راه حل نسبتا ساده منجر به سرکوب کامل میکروناپایداری ها و بهبود قابل توجهی در پارامترهای محصور شدن پلاسما می شود.

شار نوترون از احتراق حرارتی دوتریوم در یک تله GDL. نقاط سیاه اندازه گیری هستند، خطوط مقادیر مختلف محاسبه شده برای سطوح مختلف میکروبی ثباتی هستند. خط قرمز - ناپایداری های کوچک سرکوب شده است.

در نهایت، "گورکن" اصلی دمای الکترون پایین است. اگرچه پارامترهای گرما هسته‌ای برای یون‌های موجود در تله‌ها به دست آمده‌اند، دمای الکترون بالا کلیدی برای جلوگیری از سرد شدن یون‌های داغ و بنابراین مقادیر Q بالا است. دلیل دمای پایین رسانایی حرارتی بالا و پتانسیل دوقطبی است. مکیدن الکترون های "سرد" از منبسط کننده های پشت تله های انتهایی داخل سیستم مغناطیسی. تا سال 2014، دمای الکترون در تله های باز از 300 eV تجاوز نمی کرد و مقدار مهم روانشناختی 1 کو در GDL به دست می آمد. از طریق کار ظریف با فیزیک برهمکنش الکترون ها در منبسط کننده های انتهایی با گازهای خنثی و جاذب های پلاسما به دست آمد.
این وضعیت را وارونه می کند. اکنون تله‌های ساده دوباره اولویت توکاماک‌هایی را تهدید می‌کنند که به اندازه‌ها و پیچیدگی‌های وحشتناکی رسیده‌اند (GDML-U که ایده‌ها و دستاوردهای GDT و روشی برای بهبود حفظ طولی GOL را ترکیب می‌کند. اگرچه تحت تأثیر نتایج جدید تصویر GDML در حال تغییر است، این ایده اصلی در زمینه تله های باز باقی مانده است.

تحولات فعلی و آینده در مقایسه با رقبا در کجا قرار دارند؟ همانطور که می دانیم توکاماک ها به ارزش Q=1 رسیده اند، بسیاری از مشکلات مهندسی را حل کرده اند، به سمت ساخت تاسیسات هسته ای به جای تاسیسات الکتریکی می روند و با اطمینان به سمت نمونه اولیه یک راکتور قدرت با Q=10 و a حرکت می کنند. توان حرارتی تا 700 مگاوات (ITER). ستاره‌شناسان که چند قدم عقب‌تر هستند، از مطالعه فیزیک بنیادی و حل مسائل مهندسی با Q=0.1 حرکت می‌کنند، اما هنوز خطر ورود به حوزه تاسیسات هسته‌ای واقعی با احتراق حرارتی تریتیوم را ندارند. GDML-U از نظر پارامترهای پلاسما می تواند شبیه ستاره ساز W-7X باشد (البته یک نصب پالسی با مدت زمان تخلیه چند ثانیه در مقایسه با کارکرد طولانی مدت نیم ساعته W-7X) به دلیل هندسه ساده آن، هزینه آن می تواند چندین برابر کوچکتر از ستاره آلمانی باشد.

ارزیابی BINP

گزینه هایی برای استفاده از GDML به عنوان تسهیلاتی برای مطالعه برهمکنش پلاسما و مواد وجود دارد (با این حال، چنین امکاناتی در جهان بسیار زیاد است) و به عنوان یک منبع نوترون گرما هسته ای برای اهداف مختلف.

برون یابی ابعاد HDML بسته به Q مورد نظر و کاربردهای ممکن.

اگر فردا دوباره تله‌های باز در مسابقه CTS به محبوبیت تبدیل شوند، می‌توان انتظار داشت که به دلیل سرمایه‌گذاری کمتر در هر مرحله، تا سال 2050 از توکامک‌ها پیشی بگیرند و به قلب اولین نیروگاه‌های حرارتی هسته‌ای تبدیل شوند. مگر اینکه پلاسما شگفتی های ناخوشایند جدیدی به همراه داشته باشد...

برچسب ها: اضافه کردن برچسب

تله ها را باز کنید

تله‌های باز یکی از انواع تاسیسات برای محصور کردن مغناطیسی پلاسمای حرارتی هستند. تله‌های باز دارای چندین مزیت مهم نسبت به سایر سیستم‌های مهار هستند: آنها از نقطه نظر مهندسی جذاب هستند. آنها به طور موثر از یک میدان مغناطیسی محدود کننده پلاسما استفاده می کنند. آنها اجازه کار در حالت ثابت را می دهند. آنها مشکل حذف محصولات واکنش گرما هسته ای و ناخالصی های سنگین را از پلاسما به روشی نسبتا ساده حل می کنند. با این حال، برای مدت طولانی اعتقاد بر این بود که چشم انداز تله های باز به عنوان پایه یک راکتور گرما هسته ای به دلیل نرخ بسیار بالای تلفات پلاسما در امتداد خطوط میدان مغناطیسی مشکوک است. وضعیت تنها در دهه گذشته به سمت بهتر شدن تغییر کرده است، زمانی که تعدادی بهبود برای تله های باز پیشنهاد شده است که تا حد زیادی این اشکال را برطرف کرده است. این بررسی اصول فیزیکی انواع جدیدی از تله‌های باز (دوقطبی، گریز از مرکز، آینه‌های چندگانه، گاز دینامیکی، و غیره) را تشریح می‌کند، وضعیت فعلی تحقیقات روی آنها را توصیف می‌کند و پیش‌بینی‌هایی را برای چشم‌انداز آینده این سیستم‌ها انجام می‌دهد. امکان استفاده از تله های باز به عنوان مولدهای نوترون با شار بالا با انرژی 14 مگا ولت در حال بررسی است. ایل. 29. کتابشناسی. مراجع 97 (102 عنوان).