Reaktor termojądrowy wykorzystujący pułapki otwarte. Podejście prasowe
Służba prasowa RAS informowała już o tym wydarzeniu w wiadomościach z 09.08. i 15.08.2016r. Szczegóły tego przełomowego osiągnięcia naukowego są obecnie publikowane.
FIZYCY SYBERYJSCY PODGRZEWAJĄ PLAZMĘDO 10 MILIONÓW STOPNI
Wzakład fuzyjny
Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. ŻOŁNIERZ AMERYKAŃSKI. Budker z Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk w eksperymentach na pułapce gazowo-dynamicznej osiągnął stabilne ogrzewanie plazmy do 10 milionów stopni. To bardzo istotny wynik dla perspektyw kontrolowanej syntezy termojądrowej. Czas retencji plazmy nadal wynosi milisekundy.
Naukowcy zaczęli rozważać możliwości stworzenia reaktora termojądrowego opartego na otwartej pułapce.
Naukowcy zamierzają osiągnąć akceptowalną wydajność energii termojądrowej dla systemów o długości około 100 metrów. To jest bardzo systemy kompaktowe. Reaktor termojądrowy oparty na otwartej pułapce, będący alternatywą dla TOKAMAKA, może powstać w ciągu najbliższych 20-30 lat.
Naukowcom akademickim z Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk udało się wytworzyć gorącą plazmę za pomocą ogrzewania cyklotronowego, co umożliwiło rezygnację z dział plazmowych i tym samym prowadzenie eksperymentów w bardziej kontrolowanych warunkach.
Przy już osiągniętych parametrach plazmy taki układ może być szczególnie przydatny do badań w dziedzinie inżynierii materiałowej, gdyż wytwarza wysokie strumienie neutronów.
Zastępca dyrektora BINP SB RAS A. Iwanow zauważył, że przeprowadzono już badania nad oddziaływaniem plazmy ze ścianami reaktora, uzyskano rekordowe wartości gęstości energii na jednostkę powierzchni. „Teraz wiemy, jak ulegają erozji płyty wolframowe” – powiedział.
Naukowcy uważają, że opracowano to w Instytucie Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk dla źródeł promieniowania BINP SB RAS - żyrotrony będą obiecujące w procesie nagrzewania, co umożliwi osiągnięcie wyższych parametrów plazmy.
Wcześniej BINP SB RAS ogłosiła plany stworzenia prototypu termojądrowego reaktor. Zakłada się, że BINP SB RAS opracuje projekt techniczny i studium wykonalności instalacji, po czym rozpocznie się etap negocjacji z potencjalnymi partnerami z innych krajów.
Jak informowaliśmy, prace nad prototypowym reaktorem termojądrowym opartym na gazodynamicznej pułapce „wielolustrzanej” prowadzone są w ramach grantu Rosyjskiej Fundacji Nauki. Czas trwania programu to lata 2014-2018, kwota dofinansowania projektu z Rosyjskiej Fundacji Nauki wynosi 650 milionów rubli.
Wcześniej naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej SB RAS uzyskali rekordową temperaturę 4,5 miliona stopni (400 elektronowoltów) w gazowej pułapce dynamicznej (GDT), która wykorzystywane do utrzymywania gorącej plazmy w polu magnetycznym, w 2014 roku temperatura ta wzrosła do 9 milionów stopni.
OGRZEWANIE PLAZMY TERMONUKLEARNEJDO 10 MILIONÓW STOPNI
Na instalacji GDL przeprowadzono serię udanych eksperymentów z ogrzewaniem plazmy za pomocą elektronowego rezonansu cyklotronowego (ECR) (rys. 1). Celem eksperymentu było przetestowanie scenariusza łączonego ogrzewania plazmowego wiązkami neutralnymi (NB) o mocy 5 MW i ogrzewania ECR o mocy do 0,7 MW, zbadanie mechanizmów fizycznych niestabilności magnetohydrodynamicznej plazmy obserwowanych podczas takiego nagrzewania i poszukiwanie sposobów ich stłumienia.
System grzewczy ECR na instalacji GDL składa się z dwóch żyrotronów pulsacyjnych o częstotliwości 54,5 GHz i mocy mierzonej na wejściu plazmy 300 i 400 kW. Każdy z żyrotronów zasilany jest ze specjalnie zaprojektowanych zasilaczy wysokiego napięcia, które tworzą prostokątny impuls wysokiego napięcia o amplitudzie 70 kV (ze stabilnością nie gorszą niż 0,5%), prądzie do 25 A i czasie trwania do 3 ms. Promieniowanie żyrotronowe dostarczane jest osobnymi, zamkniętymi liniami quasi-optycznymi i wprowadzane do komory próżniowej w pobliżu dwóch zwierciadeł magnetycznych, jak pokazano na rys. 3.
Aby stworzyć optymalne warunki nagrzewania ECR, wymagane jest zwiększenie pola magnetycznego w poszczególnych cewkach rozmieszczonych wokół obszaru absorpcji. Dodatkowy prąd niezbędny do realizacji efektywnej absorpcji na przeciwległych końcach pułapki uzyskano poprzez zmniejszenie pola magnetycznego w głównym korpusie pułapki (z 0,35 do 0,27 T w środku instalacji). Takie zaburzenie konfiguracji magnetycznej doprowadziło do znacznego pogorszenia zamknięcia plazmy, w szczególności bez ogrzewania ECR temperatura elektronu spadła z 250 eV do 150 eV.
W tej konfiguracji magnetycznej zoptymalizowano dwa scenariusze ogrzewania ECR. Pierwszy scenariusz zoptymalizowano pod kątem wydłużenia czasu życia gorących jonów w wyniku wychwytywania przez plazmę grzejnych wiązek neutralnych. Reżim ten charakteryzował się absorpcją promieniowania żyrotronowego w niemal całym przekroju plazmy, co powodowało wzrost temperatury elektronów w całej objętości plazmy.
Ponieważ czas życia gorących jonów jest proporcjonalny do temperatury elektronu do potęgi 3/2, podczas nagrzewania ECR zawartość energii w plazmie oraz strumień neutronów fuzyjnych D-D powstający w wyniku zderzeń gorących jonów znacznie wzrasta (rys. 4). W tym trybie udało się uzyskać stabilny wyładowanie przy mocy grzewczej ECR nie przekraczającej 400 kW. Temperatura elektronu na osi GDL osiągnęła 200 eV.
Drugi scenariusz został zoptymalizowany w celu uzyskania maksymalnej temperatury elektronu. W tym trybie główna część mocy mikrofalowej przechwyconej przez plazmę została zaabsorbowana w wąskim obszarze przyosiowym. Dlatego po włączeniu żyrotronów w ciągu kilkuset mikrosekund powstał wyładowanie o temperaturze centralnej do 1 keV (rys. 5). Pomimo faktu, że radialny profil temperatury był silnie szczytowy, bilans energetyczny pokazał, że zamknięcie plazmy w strefie przyosiowej zachodzi w reżimie gazodynamicznym, transport promieniowy i klasyczne podłużne (Spitzer) przewodnictwo cieplne elektronów są silnie stłumione. Pomiary metodą rozpraszania Thomsona wykazały, że energia ulega redystrybucji pomiędzy elektronami termicznymi, czyli mówimy konkretnie o temperaturze elektronu, a nie o energii zmagazynowanej w „ogonie” elektronów energetycznych. Podczas tych eksperymentów w ośrodku GDT uzyskano rekordową temperaturę elektronów dla układów otwartych w wyładowaniu quasi-stacjonarnym (-1 ms), a parametry plazmy po raz pierwszy osiągnęły wartości porównywalne z układami toroidalnymi.
Okoliczność ta pozwoliła nam stwierdzić, że istnieją dobre perspektywy zastosowań termojądrowych w oparciu o otwarte pułapki. Dla porównania na ryc. Na rycinie 6 przedstawiono wykres przedstawiający postęp wzrostu temperatury elektronów w eksperymentach prowadzonych w obiekcie GDT na przestrzeni 25 lat istnienia obiektu.
Gwałtowny i znaczący wzrost temperatury elektronów po włączeniu ogrzewania ECR prowadzi do rozwoju niestabilności plazmy MHD typu fletowego. Aby stłumić tę niestabilność w standardowym wyładowaniu GDL (bez ogrzewania ECR), stosuje się metodę „uwięzienia wirowego”. Polega ona na tym, że na obwód plazmy przykładany jest stały potencjał elektryczny, powodując jej wirowanie w skrzyżowanych polach elektrycznych i magnetycznych. Aby skutecznie stłumić straty poprzeczne podczas rozwoju niestabilności rowka, przyłożony potencjał promieniowy musi być porównywalny z temperaturą elektronu. Przy silnym wzroście temperatury plazmy podczas ogrzewania ECR warunek ten może zostać naruszony. Aby rozwiązać ten problem, zastosowano metodę stopniowego zwiększania potencjału promieniowego, która śledzi wzrost temperatury po włączeniu ogrzewania ECR. Dzięki temu udało się zrealizować w miarę stabilne ogrzewanie plazmowe ECR o mocy 700 kW przez czas porównywalny z całkowitym czasem trwania wyładowania w instalacji.
Wykazanie wyładowania o rekordowo wysokiej temperaturze elektronów stało się możliwe dzięki opracowaniu optymalnych scenariuszy nagrzewania EC plazmy niezwykłą falą przy pierwszej harmonicznej w głównej objętości pułapki. Wynik ten stanowi wiarygodną podstawę do budowy reaktorów termojądrowych opartych na otwartych pułapkach, które mają najprostszą z inżynierskiego punktu widzenia osiowosymetryczną konfigurację pola magnetycznego. Natychmiastowe zastosowanie takich reaktorów może stanowić potężne źródło neutronów z reakcji syntezy jąder deuteru i trytu, co jest niezbędne do rozwiązania szeregu problemów nauki o materiałach termojądrowych, a także sterowania podkrytycznymi reaktorami jądrowymi, w tym urządzeniami do niszczenia substancji radioaktywnych marnować. Dalszy rozwój tego podejścia umożliwi rozważenie możliwości stworzenia w oparciu o otwarte pułapki „czystego” reaktora termojądrowego wykorzystującego reakcje syntezy niskoneutronowej lub bezneutronowej.
Eksperymenty na instalacji GOL-3 mające na celu poprawę retencji wzdłużnej w pułapce otwartej
Uzyskane w wyniku wieloletnich prac parametry plazmy w obiekcie oraz nowe pomysły, które się pojawiły, pozwalają oceniać perspektywy tego schematu przechowywania plazmy wysokotemperaturowej znacznie bardziej optymistycznie niż przed rozpoczęciem prace nad GOL-3 (ryc. 2). Głównym wnioskiem jest to, że główne procesy zachodzą na tle dość wysokiego poziomu turbulencji plazmy. W komórkach końcowych pułapki wielolusterkowej odkryto nowy rodzaj niestabilności, prowadzący do bardziej wydajnej wymiany pomiędzy grupami cząstek przejściowych i uwięzionych w warunkach niskiej gęstości plazmy w pobliżu końców.
9 sierpnia 2016 o godzinie 10.40 Spotkanie prasowe z kluczowymi uczestnikami 11. międzynarodowej konferencji na temat otwartych systemów magnetycznych do przechowywania plazmy odbędzie się w Instytucie Fizyki Jądrowej SB RAS (aleja Akademika Ławrentiewa 11, Nowosybirsk). Opowiedzą o najnowszych wynikach wiodących ośrodków naukowych zajmujących się badaniami w tym obszarze. Na przykład naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej SB RAS opracowali obiecującą metodę generowania plazmy za pomocą promieniowania mikrofalowego o dużej mocy w wielkoskalowej pułapce magnetycznej typu otwartego (GDT). Metoda ta umożliwiła udane eksperymenty mające na celu poprawę uwięzienia plazmy przy parametrach w zakresie termojądrowym. Ponadto na instalacji Instytutu Fizyki Jądrowej SB RAS badano dyspersję rozprysków ciekłego wolframu w reaktorach termojądrowych przyszłości.
Uczestnicy podejścia prasowego:
1. Aleksander Aleksandrowicz IWANOW, doktor nauk fizycznych i matematycznych, zastępca dyrektora Instytutu Fizyki Jądrowej SB RAS ds. pracy naukowej.
2. Aleksander Gennadievich SZALASOW, doktor nauk fizycznych i matematycznych, kierownik Zakładu Mikrofalowych Metod Ogrzewania Plazmowego w Instytucie Fizyki Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk (Niżny Nowogród).
3.Yosuke NAKASHIMA , profesor, Centrum Badań nad Plazmą, Uniwersytet Tsukuba, Japonia. (Prof. Nakashima Yousuke, Centrum Badań nad Plazmą, Uniwersytet Tsukuba, Japonia)
4. Taehyup Och, profesor, Narodowy Instytut Badań Termojądrowych, Daejeon, Korea. (Prof. Lho Taihyeop, Narodowy Instytut Badań nad Fuzją, Daejeong, Korea).
Konferencja odbywa się co dwa lata, na przemian w siedzibach ośrodków naukowych w Rosji (Nowosybirsk, BINP SB RAS), Japonii i Korei. Główne obszary, które zostaną zaprezentowane to: fizyka uwięzienia plazmy w pułapkach otwartych, systemy grzewcze dla pułapek otwartych, diagnostyka plazmy, oddziaływanie plazmy z powierzchnią.
Istnieje kilka opcji, na podstawie których w przyszłości będzie można zbudować reaktor termojądrowy – tokamak, stellarator, pułapki otwarte, odwróconą konfigurację pola i inne. Obecnie tokamaki są najbardziej rozwiniętym obszarem, ale systemy alternatywne mają również szereg zalet: są prostsze technicznie i mogą być bardziej atrakcyjne ekonomicznie jako reaktor. Być może w przyszłości tokamak zostanie zastąpiony lub zacznie współistnieć z innymi rodzajami pułapek. BINP SB RAS pracuje nad alternatywnym kierunkiem – otwartymi pułapkami do zatrzymywania plazmy.
Wcześniej uważano, że tego typu instalację można traktować bardziej jako narzędzie do badania podstawowych właściwości plazmy, a także stanowisko wspierające eksperymenty dla pierwszego eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER.
Jednak ostatnie wyniki – nagrzewanie plazmy do temperatury 10 milionów stopni w otwartej pułapce GDL (BINP SB RAS, Rosja) i wykazanie quasi-stacjonarnego stanu plazmy na instalacji S-2 (Tri Alpha Energy, USA) – mają pokazało, że w alternatywnych układach możliwe jest osiągnięcie znacznie wyższych parametrów plazmy, niż dotychczas sądzono.
Największe otwarte pułapki działają w Rosji, Japonii, Chinach, Korei Południowej i USA.
Kontakty w sprawie akredytacji:
Alla Skoworodina,
specjalista ds. public relations, BINP SB RAS,
r.t.+7 383 329-47-55, m.t.+7 913 9354687, e-mail:
Krótka informacja na temat typów modeli reaktorów termojądrowych
Tokamak(skrót od „toroidalna komora magnetyczna”), zamknięta pułapka magnetyczna w kształcie torusa, zaprojektowana do wytwarzania i przechowywania plazmy o wysokiej temperaturze. Tokamak został zaprojektowany i stworzony, aby rozwiązać problem kontrolowanej syntezy termojądrowej i stworzyć reaktor termojądrowy.
Otwórz pułapki- rodzaj pułapki magnetycznej służącej do zamykania plazmy termojądrowej w określonej objętości przestrzeni, ograniczonej w kierunku wzdłuż pola magnetycznego. W odróżnieniu od pułapek zamkniętych (tokamaków, stellaratorów), które mają kształt toroidu, pułapki otwarte charakteryzują się geometrią liniową, w której linie pola magnetycznego przecinają końcowe powierzchnie plazmy. Pułapki otwarte mają wiele potencjalnych zalet w porównaniu z pułapkami zamkniętymi. Są prostsze inżyniersko, efektywniej wykorzystują energię pola magnetycznego zamykającego plazmę, łatwiej jest rozwiązać problem usuwania z plazmy ciężkich zanieczyszczeń i produktów reakcji termojądrowych, a wiele typów pułapek otwartych może pracować w trybie stacjonarnym. tryb. Jednakże możliwość wykorzystania tych zalet w reaktorze termojądrowym opartym na otwartych pułapkach wymaga dowodów eksperymentalnych.
Na podstawie materiałów D. D. Ryutowa, Pułapki otwarte, UFN 1988, t. 154, s. 565.
Pułapka fuzyjna
Instytut Fizyki Jądrowej, jak wszystkie instytuty Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, jest stosunkowo młody: w 2008 roku będzie miał zaledwie 50 lat – tyle samo, ile wynosi średnia wieku jego pracowników. Cieszy fakt, że w ostatnim czasie w BINP pojawiło się wielu studentów studiów licencjackich i magisterskich, którzy planują kontynuować swoje badania naukowe w jego murach. Wiadomo, że dzisiejszą młodzież ciągnie tam, gdzie jest ciekawie, gdzie są perspektywy rozwoju. A w INP niewątpliwie są takie perspektywy. Należy również podkreślić, że przeprowadzenie najbardziej skomplikowanych współczesnych eksperymentów wymaga wysiłku nie jednej osoby, ale potężnego zespołu ludzi o podobnych poglądach. Dlatego tak ważny dla instytutu jest dopływ świeżych sił...
Plazma to tajemnicza materia,
posiadające właściwość samoorganizacji
Plazma to całkowicie lub częściowo zjonizowany gaz, w którym całkowity ładunek ujemny cząstek jest równy całkowitemu ładunkowi dodatniemu. I dlatego ogólnie jest to ośrodek elektrycznie obojętny lub, jak twierdzą fizycy, ma właściwość quasineutralności. Ten stan materii jest uważany za czwarty (po stałym, ciekłym i gazowym) stanie skupienia i jest normalną formą istnienia w temperaturach rzędu 10 000 stopni Celsjusza i wyższych.
Badania nad tym niezwykłym stanem materii w przyrodzie trwają już ponad sto lat. Od drugiej połowy XX wieku „ogólnym kierunkiem” stało się wdrożenie samopodtrzymującej się kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej (CTF). Wysokotemperaturowe skrzepy plazmy są bardzo rozpowszechnione we Wszechświecie: wystarczy wspomnieć o Słońcu i gwiazdach. Ale na Ziemi jest go bardzo mało. Cząstki kosmiczne i wiatr słoneczny jonizują górną warstwę powłoki atmosferycznej Ziemi (jonosferę), a powstała plazma jest zatrzymywana przez ziemskie pole magnetyczne. Innymi słowy jest to rodzaj ziemskiej pułapki magnetycznej. W okresach wzmożonej aktywności słonecznej przepływ naładowanych cząstek z wiatru słonecznego deformuje magnetosferę planety. W wyniku rozwoju niestabilności hydromagnetycznych plazma przenika do górnych warstw atmosfery w rejonie biegunów, a gazy atmosferyczne oddziałując z naładowanymi cząsteczkami plazmy są wzbudzane i emitowane. Odpowiada to za zjawisko zorzy polarnej, którą można obserwować jedynie na biegunach.
Oprócz „ogólnego kierunku” w badaniach fizyki plazmy istnieją inne, nie mniej ważne, stosowane. Doprowadziło to do pojawienia się wielu nowych technologii: cięcia plazmowego, spawania i obróbki powierzchni metali. Plazmę można stosować jako płyn roboczy w silnikach statków kosmicznych i lampach fluorescencyjnych do oświetlenia. Zastosowanie technologii plazmowych spowodowało prawdziwą rewolucję w mikroelektronice. Nie tylko znacznie wzrosła wydajność procesora i wzrosła pojemność pamięci, ale także znacząco zmniejszono ilość środków chemicznych wykorzystywanych w produkcji – tym samym zminimalizowano poziom szkód dla środowiska.
Gęsta plazma wysokotemperaturowa występuje tylko w gwiazdach, na Ziemi można ją uzyskać jedynie w warunkach laboratoryjnych. Ten niezwykły stan materii zadziwia wyobraźnią dużą liczbą stopni swobody, a jednocześnie zdolnością do samoorganizacji i reagowania na wpływy zewnętrzne. Na przykład plazmę można utrzymać w polu magnetycznym, co powoduje, że przybiera różne kształty. Dąży jednak do przyjęcia stanu najbardziej dla niego korzystnego energetycznie, co często prowadzi do rozwoju różnych niestabilności i niczym żywy organizm wyrwie się ze sztywnej „klatki” pułapki magnetycznej, jeśli konfiguracja ta pułapka do tego nie pasuje. Dlatego zadaniem fizyków jest stworzenie takich warunków, aby plazma była stabilna, „żyła” w pułapce długo i spokojnie oraz nagrzała się do temperatur termojądrowych około 10 milionów stopni Celsjusza.
Dziś w BINP z powodzeniem działają dwie wyjątkowe, duże pułapki plazmowe, które powstały w wyniku praktycznego zastosowania oryginalnych pomysłów i zasad zrodzonych w murach instytutu. Są to pułapki typu otwartego, znacznie różniące się od popularnych zamkniętych systemów magnetycznych. Zachwycają tajemniczą wielkością i jednocześnie łatwością obsługi. W ciągu całej historii pracy w obiektach naukowcom udało się uzyskać ważne wyniki dotyczące podgrzewania i zamykania gęstej gorącej plazmy, a także dokonać szeregu odkryć związanych z podstawowymi właściwościami tego czwartego stanu skupienia. Co roku prezentowano coś nowego i niezwykłego w takich czy innych warunkach życia w pułapkach podczas zmiany konfiguracji pola magnetycznego, tworzenia pól elektrycznych, dodawania różnych zanieczyszczeń, a także wstrzykiwania potężnych wiązek do plazmy i „sondowania” plazmy z różną diagnostyką. A plazma, „reagując” na takie działania, choć niechętnie, podzieliła się z badaczami swoimi najgłębszymi tajemnicami…
Pułapka dynamiczna gazu (GDT)
Instalacja GDL, utworzona w Nowosybirskim Instytucie Fizyki Jądrowej w 1986 roku, należy do klasy pułapek otwartych i służy do zatrzymywania plazmy w polu magnetycznym.
Konfiguracja pola magnetycznego w klasycznej otwartej osiowo symetrycznej pułapce jest wydłużonym obszarem jednolitego pola magnetycznego z maksimami na krawędziach, które osiąga się za pomocą cewek pierścieniowych o silnym polu magnetycznym. Obszary pod tymi cewkami (te obszary przestrzeni zajmowane przez pole magnetyczne, w których osiąga ono swoją maksymalną wartość) nazywane są zwykle „korkami magnetycznymi”, a pułapka ułożona według tej zasady nazywana jest „ogniwem lustrzanym”. W najprostszym przypadku pole magnetyczne w komórce lustrzanej wytwarzane jest wyłącznie przez lustra magnetyczne.
Naładowane cząstki plazmy (elektrony ujemne i jony dodatnie) poruszają się wzdłuż linii pola magnetycznego pomiędzy zwierciadłami magnetycznymi, odbijając się od nich i wykonując w ten sposób ruchy oscylacyjne. Cząstki o energii kinetycznej wystarczającej do pokonania bariery potencjału wtyczki opuszczają pułapkę w jednym locie.
Różnice między pułapką gazodynamiczną (GDT) a opisaną powyżej konwencjonalną komórką lustrzaną polegają na dużym zasięgu jednorodnego przekroju pola w środku pułapki i bardzo dużym „współczynniku lustra” (stosunek R = B 1 /B 2 wartości pola magnetycznego w lustrze i w środku pułapki). W tej konfiguracji średnia droga swobodna jonów jest mała w porównaniu z długością odcinka jednolitego pola magnetycznego, zatem wypływ plazmy z instalacji odbywa się zgodnie z prawami dynamiki gazu, podobnie jak wypływ gazu do próżnię z naczynia z małym otworem, co wyjaśnia nazwę instalacji. Dzięki bardzo małym „dziurom” w zwierciadłach magnetycznych i dużej objętości zajmowanej przez plazmę, możliwe jest uzyskanie czasu uwięzienia plazmy wystarczającego do przeprowadzenia kontrolowanej reakcji termojądrowej. To prawda, że długość takiego reaktora lustrzanego wyniesie kilka kilometrów. Jednakże zastosowanie różnych urządzeń, tzw. wtyczek ambipolarnych, które redukują dopływ plazmy do wtyczek, spowoduje zmniejszenie długości pułapki do rozsądnych granic. Dlatego perspektywy reaktora takiej pułapki pozostają atrakcyjne. Najbardziej obiecującym termojądrowym zastosowaniem schematu uwięzienia plazmy jest stworzenie w oparciu o GDT prostego i niezawodnego źródła szybkich neutronów o energii 14 MeV, które powstają w reakcji syntezy jąder deuteru i trytu. W rzeczywistości jest to ten sam reaktor termojądrowy (tylko o niskiej wydajności), zużywający energię i wytwarzający neutrony. Taki generator neutronów może zostać wykorzystany do przeprowadzenia badań materiałowych pierwszej ściany przyszłego przemysłowego reaktora termojądrowego lub do zasilania reaktora rozszczepialnego neutronami niskoenergetycznymi, co czyni współczesną energetykę jądrową bezpieczną. Projekt źródła neutronów opartego na pułapce gazowo-dynamicznej opracowywany jest od wielu lat w Instytucie Fizyki Jądrowej. W celu praktycznego sprawdzenia przewidywań teorii oraz zgromadzenia bazy danych do wytworzenia źródła neutronów, w Instytucie Fizyki Jądrowej SB RAS stworzono eksperymentalny model pułapki gazodynamicznej – instalację GDL.
Obecnie międzynarodowe środowisko naukowe zajmujące się rozwiązaniem problemu CTS rozpoczęło budowę największej pułapki plazmowej typu tokamak zwanej ITER. W nadchodzących dziesięcioleciach ITER powinien wykazać możliwość funkcjonowania samowystarczalnej kontrolowanej elektrowni termojądrowej opartej na reakcji syntezy deuteru i trytu.Oczywiste jest jednak, że dla dalszego rozwoju energetyki termojądrowej przyszłości i budowy takich stacji, które będą działać przez dziesięciolecia, a nawet stulecia, dziś konieczne jest wybranie niezawodnych materiałów, które będą w stanie wytrzymać silne strumienie neutronów przez cały okres ich użytkowania . Aby przetestować takie materiały, wymagane jest potężne źródło neutronów. BINP od wielu lat opracowuje projekt takiego źródła w oparciu o GDL.
Wszystkie zasady fizyczne leżące u podstaw kompaktowego i stosunkowo niedrogiego źródła neutronów opartego na otwartej pułapce gazowo-dynamicznej są obecnie badane w prawdziwym eksperymencie dotyczącym akumulacji, utrzymywania i ogrzewania plazmy w instalacji GDT. Już dziś prowadzone są bezpośrednie pomiary strumienia emitowanych neutronów w eksperymentach z wtryskiem deuteru. Reakcja syntezy deuteru z deuterem przy danych parametrach eksperymentalnych wytwarza na ogół mały strumień w porównaniu z reakcją deuteru z trytem. Jednak do sprawdzenia obliczeń modelowych, które planuje się wykorzystać w przyszłości do obliczeń reaktora źródłowego, są one całkowicie wystarczające. W grudniu tego roku instalacja kończy 22 lata: pierwszą plazmę uzyskano pod koniec 1985 roku. Ci, którzy ją zbudowali i uruchomili, do dziś pracują w laboratorium.
Ale zespół powiększył się także o nowych, młodych i energicznych pracowników: niektórzy z nich są w tym samym wieku, co sama instalacja GDL
Główną część instalacji stanowi osiowosymetryczne ogniwo lustrzane o długości 7 m, z polem 0,3 T w środku i do 10 T we wtyczkach, przeznaczone do przechowywania plazmy dwuskładnikowej.
Jeden ze składników – ciepła „docelowa” plazma – ma temperaturę elektronów i jonów dochodzącą do 100 eV (czyli około 1 200 000 stopni Celsjusza) i gęstość ~ 5 10 19 cząstek na metr sześcienny. Składnik ten charakteryzuje się opisanym powyżej trybem ograniczenia gazowo-dynamicznego. Drugim składnikiem są szybkie jony o średniej energii ~10 000 eV i gęstości aż 2 10 19 cząstek na metr sześcienny. Powstają w wyniku jonizacji w docelowej plazmie potężnych wiązek atomów, wprowadzanych ukośnie do pułapki za pomocą specjalnych urządzeń – wtryskiwaczy atomów neutralnych. Ten szybki składnik charakteryzuje się tym samym trybem uwięzienia, co w klasycznym ogniwie lustrzanym: szybkie jony poruszają się po orbitach magnetycznych wzdłuż linii pola magnetycznego i odbijają się od obszaru silnego pola magnetycznego. W tym przypadku szybkie jony ulegają spowolnieniu podczas interakcji z cząsteczkami docelowej plazmy (głównie elektronami) i podgrzewają ją do 100 eV i wyższych. Przy ukośnym wtrysku i małym kątowym rozproszeniu cząstek gęstość szybkich jonów okazuje się być silnie szczytowa (duża) w pobliżu obszaru odbicia, a ta okoliczność jest najbardziej atrakcyjna dla zastosowania źródła neutronów. Faktem jest, że strumień neutronów w reakcji syntezy jest proporcjonalny do kwadratu gęstości jonów deuteru i trytu. Dlatego przy takim wyborze gęstości będzie on skoncentrowany tylko w obszarze zatrzymania, gdzie będzie zlokalizowana „strefa testowa”. Pozostała część przestrzeni instalacyjnej będzie obciążona znacznie niższym obciążeniem neutronami, co wyeliminuje potrzebę kosztownej ochrony neutronowej wszystkich elementów generatora.
Ważnym problemem na drodze do stworzenia reaktora i źródła neutronów w oparciu o osiowo symetryczne ogniwo lustrzane jest stabilizacja plazmy w polu magnetycznym. W schemacie GDT osiąga się to dzięki specjalnym dodatkowym sekcjom o korzystnym dla stabilności profilu pola magnetycznego, które znajdują się za korkami magnetycznymi i zapewniają niezawodną stabilizację plazmy.
Kolejnym ważnym problemem kontrolowanej syntezy termojądrowej (CTF) opartej na otwartych pułapkach jest izolacja termiczna plazmy od ściany czołowej. Faktem jest, że w odróżnieniu od systemów zamkniętych jak tokamak czy stellarator, plazma wypływa z otwartej pułapki i trafia do odbiorników plazmy. W takim przypadku zimne elektrony emitowane pod wpływem strumienia z powierzchni odbiornika plazmy mogą przedostać się z powrotem do pułapki i znacznie ochłodzić plazmę. W eksperymentach badających uwięzienie wzdłużne w instalacji GDL udało się wykazać, że rozszerzające się pole magnetyczne za wtyczką przed odbiornikiem plazmy w zbiornikach końcowych – ekspanderach – zapobiega przedostawaniu się zimnych elektronów do pułapki i zapewnia skuteczną izolację termiczną od ściany końcowej.
W ramach programu eksperymentalnego GDL trwają ciągłe prace związane ze zwiększeniem stabilności, temperatury docelowej i gęstości szybkich cząstek plazmy; z badaniem jego zachowania w różnych warunkach pracy instalacji itp. Prowadzone są także badania podstawowych właściwości. Warto podkreślić, że zakres zainteresowań naukowych i badań związanych z plazmą jest bardzo szeroki.
Instalacja GDL wyposażona jest w najnowocześniejsze narzędzia diagnostyczne. Większość z nich została opracowana w naszym laboratorium i m.in. dostarczana jest na podstawie kontraktów do innych laboratoriów plazmowych, w tym także zagranicznych.
Zespół naukowców, inżynierów i techników prowadzących badania w ośrodku GDT jest niewielki, ale niezwykle zdolny. Wysoki poziom kwalifikacji wszystkich jej członków pomaga im osiągać wysokie wyniki. Ponadto kadra naukowa jest stale uzupełniana „młodą krwią” - absolwentami Nowosybirskiego Państwowego Uniwersytetu i Nowosybirskiego Państwowego Uniwersytetu Technicznego. Studenci różnych kursów, odbywający praktykę w laboratorium, od pierwszych dni biorą czynny udział w eksperymentach, wnosząc tym samym bezpośredni wkład w tworzenie nowej wiedzy. Po pierwszych zajęciach pozostają na praktyce w laboratorium, pomyślnie bronią dyplomy, rozpoczynają naukę na studiach magisterskich i przygotowują prace dyplomowe kandydata. Nie będziemy ukrywać, że nas, liderów nauki, niezwykle to cieszy.
Kolejna pułapka – „GOL-3” – i nieco inne spojrzenie na syntezę termojądrową
Ludzkość doświadcza niedoboru energii elektrycznej, a w najbliższej przyszłości problem ten stanie się priorytetem: niestety wyczerpują się rezerwy paliwa - ropy i gazu - wykorzystywane w głównych nowoczesnych elektrowniach. Dlatego reaktory termojądrowe powinny stać się podstawą elektroenergetyki przyszłości.
Reakcje termojądrowe to reakcje syntezy lekkich jąder, takich jak izotopy wodoru, deuteru i trytu, uwalniające duże ilości energii. Do przeprowadzenia tych reakcji wymagane są wysokie temperatury – ponad 10 milionów stopni Celsjusza. Wiadomo, że każda substancja o temperaturze powyżej 10 tysięcy stopni Celsjusza staje się plazmą. Kontakt z ciałem stałym powoduje natychmiastowe ochłodzenie i wybuchowe zniszczenie powierzchni ciała stałego, dlatego plazmę należy odizolować od konstrukcji: w tym celu umieszcza się ją w polu magnetycznym.
Podgrzanie substancji do ogromnych temperatur i utrzymanie jej w polu magnetycznym przez długi czas jest niezwykle trudne, dlatego wielu ekspertów uważa kontrolowaną syntezę termojądrową (CTF) za najtrudniejsze zadanie, przed jakim kiedykolwiek stanęła ludzkość.
Instalacja GOL-3 w Instytucie Fizyki Jądrowej SB RAS przeznaczona jest do podgrzewania i przechowywania plazmy termojądrowej w polu magnetycznym wielokrotnego zwierciadła. Instalacja składa się z trzech głównych części: akceleratora U-2, 12-metrowego elektromagnesu (zespołu wytwarzającego silne pole magnetyczne) oraz jednostki wyjściowej.
Wykorzystaną w instalacji wiązkę elektronów tworzy najpotężniejszy na świecie (w swojej klasie) akcelerator U-2. Elektrony są w nim przyciągane przez pole elektryczne z wybuchowej katody emisyjnej i przyspieszane napięciem około 1 miliona woltów. Przy prądzie 50 000 amperów moc systemu osiąga 50 GW. (Ale cały Nowosybirsk w ciągu dnia zużywa 20 razy mniej energii.) Przy czasie trwania wiązki wynoszącym około 8 mikrosekund zawiera aż 200 000 J energii (co odpowiada eksplozji granatu ręcznego).
W elektromagnesie głównym, gdy wiązka przechodzi przez plazmę deuterową o gęstości n = 10 20 -10 22 cząstek na metr sześcienny, w wyniku rozwoju niestabilności dwustrumieniowej powstaje duży poziom mikroturbulencji i wiązka traci do 40% swojej energii, przekazując ją elektronom plazmy. Szybkość nagrzewania jest bardzo duża: w ciągu 3-4 mikrosekund elektrony plazmy nagrzewają się do temperatury około 2000-4000 eV (23-46 milionów stopni Celsjusza: 1 eV = 11 600 stopni Celsjusza) - jest to rekord świata w przypadku pułapek otwartych (dla porównania: na instalacji 2XIIB w USA temperatura nie przekroczyła 300 eV wobec 2000-4000 eV na GOL-3).
Pole magnetyczne w elektromagnesie głównym jest polem wielozwierciadlanym (55 ogniw lustrzanych), tzn. maksima (5 T) i minima (3 T) pola występują naprzemiennie, a odległość pomiędzy maksimami (22 cm) jest rzędu długość ścieżki jonów. Do czego to prowadzi: jeśli jon opuści pojedynczą komórkę lustrzaną i przeleci wzdłuż pola magnetycznego, to w sąsiedniej komórce lustrzanej zderzy się z inną cząstką, w efekcie może zostać wychwycony przez sąsiednią komórkę lustrzaną, a następnie „zapomni”, gdzie leciał. Tym samym ekspansja plazmy z pułapki zostaje znacznie spowolniona. Ale czas retencji gorącej plazmy na GOL-3 wynosi do 1 milisekundy, co można uznać za niewątpliwe osiągnięcie naukowców.
Liczne zwierciadła prowadzą do niejednorodności przenoszenia energii z wiązki na elektrony w plazmie: tam, gdzie pole magnetyczne jest silniejsze, nagrzewanie elektronów jest silniejsze. Podczas ogrzewania wiązką wysoki poziom turbulencji przyczynia się do silnego (ponad tysiąckrotnie) tłumienia elektronowego przewodnictwa cieplnego, przez co niejednorodności temperaturowe nie są wyrównywane, a w konsekwencji powstają duże różnice w ciśnieniu plazmy: z tego powodu plazma zaczyna się poruszać jako całość. Z obszarów wysokiego ciśnienia do minimów ciśnienia po obu stronach zaczynają przemieszczać się dwa przeciwne strumienie plazmy, które zderzają się i nagrzewają do temperatury 1-2 keV (jest to nieco wyższa niż w centrum Słońca). Ten mechanizm szybkiego nagrzewania odkryto na GOL-3 cztery lata temu podczas eksperymentów. Z teorii wynikało, że powinny temu towarzyszyć gwałtowne skoki gęstości plazmy, które wkrótce zostały odkryte przez rozproszenie wiązki laserowej Thomsona.
Po przejściu przez główny elektromagnes wiązka wchodzi do węzła wyjściowego, który jest w stanie przyjąć bez zniszczenia potężną wiązkę elektronów, a także przepływ plazmy. Aby to zrobić, pole magnetyczne w węźle wyjściowym musi być rozbieżne, co zmniejsza gęstość energii w wiązce 50-krotnie, a odbiornik wiązki musi być grafitowy. Osobliwością grafitu jest po pierwsze to, że nie ma on fazy ciekłej, natychmiast odparowuje; po drugie, ma niską gęstość (2 g/cm 3 ), dzięki czemu zasięg elektronów w nim jest większy niż w metalach, a co za tym idzie, energia uwalniana jest w większej objętości i nie przekracza progu wybuchowego zniszczenia grafitu, dlatego erozja grafitu jest niewielka - około 1 mikrona na strzał. Obecność silnego strumienia plazmy na wyjściu instalacji umożliwia prowadzenie eksperymentów z napromienianiem materiałów reaktorów termojądrowych przyszłości: reaktory te będą poddawane tak wysokim poziomom obciążeń termicznych, co jest wciąż nierealne osiągnąć w innych instalacjach plazmowych dzisiaj.
Kolejnym ważnym zadaniem, które można rozwiązać za pomocą węzła wyjściowego, jest zapewnienie bezpieczeństwa transportu wiązki przez elektromagnes główny. Złożoność problemu polega na tym, że prąd wiązki w elektromagnesie (30 kA) jest większy od progu stabilności (dla kamery GOL-3 - 12 kA), przez co wiązka jest niestabilna i może zostać rzucona na ścianę lub struktury wewnątrzkomorowe, co doprowadzi do ich zniszczenia. W tym celu przed wtryskiem wiązki należy w węźle wyjściowym uderzyć wyładowanie (piorun), a następnie główny elektromagnes zostanie wypełniony stosunkowo zimną (kilkunastoma eV) plazmą wstępną, w której po wstrzyknięciu wiązki elektronów powstaje indukowany jest przeciwprąd, który całkowicie kompensuje prąd wiązki, co w zasadzie zapewni stabilność układu (prąd całkowity nie przekroczy 3 kA).
Jednym z najpoważniejszych problemów CTS jest stabilność plazmy, czyli stworzenie warunków, w których plazma nie może opuścić pułapki przez pole magnetyczne ze względu na rozwój różnych niestabilności plazmy. W przypadku pułapek otwartych najbardziej niebezpieczna jest niestabilność rowków. Jej istotą jest to, że plazma rozpycha magnetyczne linie siły i wymyka się pomiędzy nimi. W plazmie GOL-3 niestabilność ta jest tłumiona na skutek przesunięcia linii pola magnetycznego przy różnych promieniach plazmy, które powstaje na skutek złożonej konfiguracji prądów w plazmie. Prąd wiązki przepływa w środku plazmy i występuje również wysoki poziom turbulencji. Prąd wsteczny przepływa przez plazmę, ale z powodu turbulencji w środku zwiększa się jego rezystancja - i prąd wsteczny przepływa wzdłuż powierzchni przewodu plazmowego. Prąd prostoliniowy wytwarza wokół siebie koliste pole magnetyczne, które wraz z podłużnym polem elektromagnesu tworzy spiralne pole magnetyczne. Przy różnych promieniach prąd jest inny (i płynie w różnych kierunkach) - dlatego też inny jest skok i kierunek spirali. Dlatego też, gdy rowek plazmowy rozsuwa linie pola magnetycznego na jednym promieniu, napotyka linie pola pod innym kątem i nie może ich rozsunąć – w ten sposób tłumiona jest niestabilność rowka.
Diagnozowanie gorącej plazmy to także trudne zadanie, czyli określenie jej temperatury, składu, gęstości, natężenia pola magnetycznego i wielu innych. Nie można tam włożyć termometru – może eksplodować – a plazma ostygnie. Konieczne jest stosowanie różnych specjalnych metod, które dzielą się na pasywne i aktywne. Korzystając z diagnostyki pasywnej, możesz zbadać, co emituje plazma. Za pomocą aktywnych wstrzyknij do plazmy np. światło lasera lub wiązki atomów i zobacz, co z tego wyjdzie.
W ramach diagnostyki pasywnej instalacja GOL-3 wykorzystuje detektory i spektrometry fotonów w zakresie widzialnym, ultrafioletowym, rentgenowskim i gamma, detektory neutronów, detektor ładunku neutralnego z wymianą ładunku, sondy diamagnetyczne i pasy Rogowskiego. Do aktywnych zalicza się kilka układów laserowych, wtryskiwacz wiązki atomowej i wtryskiwacz ziaren ciała stałego.
Choć tokamaki są obecnie najbliżej parametrów reaktora (mają wyższą temperaturę i czas przetrzymywania), dzięki GOL-3, jako wariant reaktora termojądrowego rozważane są także pułapki wielolusterkowe. Gęstość plazmy w GOL-3 jest prawie stukrotnie większa niż przeciętnie w tokamakach, ponadto w odróżnieniu od tokamaków, w tej instalacji nie ma ograniczeń co do ciśnienia plazmy. Jeżeli ciśnienie będzie porównywalne z ciśnieniem pola magnetycznego (5 T wytwarza ciśnienie ~100 atmosfer), wówczas pułapka przejdzie w tryb zamknięcia „ściany” – pole magnetyczne wypychane z plazmy (ponieważ plazma jest diamagnetyczny) skupi się i zwiększy w pobliżu ścian komory i nadal będzie w stanie utrzymać plazmę. Obecnie nie ma ani jednej przyczyny, która zasadniczo ograniczałaby wzrost głównych parametrów termojądrowych (n, T i czas uwięzienia) w pułapkach wielolusterkowych.
Głównym zadaniem stojącym dziś przed zespołem instalacyjnym GOL-3 jest opracowanie koncepcji wielolusterkowego reaktora termojądrowego, a także eksperymentalna weryfikacja głównych założeń tej koncepcji.
Nie samym chlebem... Ale także chlebem
Badania plazmy nie mogą być prowadzone bez diagnostyki, dlatego też opracowania BINP są chętnie kupowane. Instytut zawiera kontrakty na dostawę określonych narzędzi diagnostycznych, a naukowcy zajmują się opracowywaniem i montażem tych narzędzi we własnych warsztatach. Są to głównie wtryskiwacze diagnostyczne, ale zdarzają się też urządzenia optyczne, interferometry itp. Sprawa nie stoi w miejscu: BINP też wie, jak zarobić.
Literatura
1. A. Burdakov, A. Azhannikov, V. Astrelin, A. Beklemishev, V. Burmasov w ogóle. Ogrzewanie i zamykanie plazmy w pułapce wielolusterkowej GOL-3 // Transakcje w dziedzinie nauki i technologii syntezy jądrowej. - 2007. - Cz. 51. - Nie. 2T. - pp. 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. Sinitsky, Yu. S. Sulyaev, A. A. Shoshin. Badanie mechanizmu szybkiego nagrzewania jonów w pułapce wielolusterkowej GOL-3 // Fizyka plazmy. - 2005. - T. 31. - Nr 6. - s. 506-520.
Chyba nie ma dziedziny ludzkiej działalności równie pełnej rozczarowań i odrzuconych bohaterów, jak próby wytworzenia energii termojądrowej. Setki koncepcji reaktorów, dziesiątki zespołów, które konsekwentnie stawały się ulubieńcami budżetu państwa i społeczeństwa, aż w końcu wydawało się, że zwycięzca w postaci tokamaków. I tu znowu – osiągnięcia nowosybirskich naukowców ożywiają zainteresowanie na całym świecie koncepcją, która została okrutnie zdeptana w latach 80. A teraz więcej szczegółów.
Otwarta pułapka GDL, która dała imponujące wyniki
Spośród różnorodnych propozycji pozyskiwania energii z syntezy termojądrowej najbardziej skupiają się one na stacjonarnym zamknięciu stosunkowo luźnej plazmy termojądrowej. Stąd bierze się na przykład projekt ITER i szerzej – pułapki toroidalne i stellaratory tokamaków. Są toroidalne, gdyż jest to najprostsza postać zamkniętego naczynia zbudowanego z pól magnetycznych (ze względu na twierdzenie o czesaniu jeża nie można zbudować naczynia kulistego). Jednak u zarania badań z zakresu kontrolowanej syntezy termojądrowej faworytami nie były pułapki o złożonej trójwymiarowej geometrii, ale próby zatrzymania plazmy w tzw. pułapkach otwartych. Są to zwykle także cylindryczne naczynia magnetyczne, w których plazma jest dobrze utrzymywana w kierunku promieniowym i wypływa z obu końców. Pomysł wynalazców jest tutaj prosty – jeśli nagrzewanie nowej plazmy w wyniku reakcji termojądrowej będzie przebiegać szybciej niż zużycie ciepła wyciekającego z końcówek – wówczas niech Bóg go błogosławi, dzięki otwartości naszego naczynia wygenerowana zostanie energia , ale wyciek nadal będzie występował w zbiorniku próżniowym, a paliwo będzie przepływać przez reaktor aż do wypalenia.
Pomysł na pułapkę otwartą to cylinder magnetyczny z zatyczkami/lustrami na końcach i ekspanderami za nimi.
Ponadto we wszystkich otwartych pułapkach stosuje się tę lub inną metodę, aby powstrzymać ucieczkę plazmy przez końce - a najprościej jest tutaj gwałtownie zwiększyć pole magnetyczne na końcach (zainstalować „wtyczki” magnetyczne w rosyjskiej terminologii lub „lustra” ” w zachodniej terminologii), podczas gdy nadchodzące naładowane cząstki w rzeczywistości odskoczą od zwierciadeł i tylko niewielka część plazmy przejdzie przez nie i wejdzie do specjalnych ekspanderów.
I nieco mniej schematyczny obraz dzisiejszej bohaterki - dodana jest komora próżniowa, w której leci plazma, i wszelkiego rodzaju sprzęt.
Pierwszy eksperyment z „lustrzaną” lub „otwartą” pułapką, ogórkiem Q, przeprowadzono w 1955 roku w amerykańskim Lawrence Livermore National Laboratory. Laboratorium to na wiele lat stało się liderem w rozwoju koncepcji CTS opartej na pułapkach otwartych (OT).
Pierwszy na świecie eksperyment - otwarta pułapka z lusterkami magnetycznymi Q-ogórek
W porównaniu do zamkniętych konkurentów, do zalet OL należy znacznie prostsza geometria reaktora i jego układu magnetycznego, a co za tym idzie niski koszt. Tak więc, po upadku pierwszego faworyta CTS – reaktorów typu Z-pinch, otwarte pułapki otrzymały maksymalny priorytet i finansowanie na początku lat 60., ponieważ obiecywały szybkie rozwiązanie za niewielkie pieniądze.
Wczesne lata 60., pułapka stołowa
Jednak to nie przypadek, że ten sam Z-szczypta przeszedł na emeryturę. Jego pogrzeb był związany z manifestacją natury plazmy - niestabilności, które niszczyły formacje plazmy podczas próby kompresji plazmy polem magnetycznym. I właśnie ta cecha, słabo zbadana 50 lat temu, natychmiast zaczęła irytować eksperymentatorów z otwartymi pułapkami. Niestabilności fletu zmuszają nas do skomplikowania układu magnetycznego, wprowadzenia oprócz prostych okrągłych elektromagnesów „kijów Ioffe”, „pułapek baseballowych” i „cewek yin-yang” oraz zmniejszenia stosunku ciśnienia pola magnetycznego do ciśnienia plazmy (parametr β) .
Nadprzewodząca pułapka magnetyczna „Baseball” Baseball II, połowa lat 70-tych
Ponadto wyciek plazmy zachodzi inaczej dla cząstek o różnych energiach, co prowadzi do nierównowagi plazmy (tj. niemaxwellowskiego widma prędkości cząstek), co powoduje szereg innych nieprzyjemnych niestabilności. Te niestabilności z kolei „kołysały” plazmę przyspieszają jej wyjście przez końcowe komórki lustrzane. Pod koniec lat 60. proste wersje otwartych pułapek osiągnęły granicę temperatury i gęstości zamkniętej plazmy, a wartości te były liczne o rzędy wielkości mniejsze niż te potrzebne do reakcji termojądrowej. Problem polegał głównie na szybkim, podłużnym ochłodzeniu elektronów, co następnie powodowało utratę energii przez jony. Potrzebne były nowe pomysły.
Najbardziej udana pułapka ambipolarna TMX-U
Fizycy proponują nowe rozwiązania związane przede wszystkim z poprawą podłużnego uwięzienia plazmy: uwięzienie dwubiegunowe, pułapki faliste i pułapki gazodynamiczne.
- Uwięzienie ambipolarne polega na tym, że elektrony „wypływają” z otwartej pułapki 28 razy szybciej niż jony deuteru i trytu, a na końcach pułapki powstaje różnica potencjałów – dodatnia od jonów wewnątrz i ujemna z zewnątrz. Jeśli pola z gęstą plazmą zostaną wzmocnione na końcach instalacji, wówczas dwubiegunowy potencjał w gęstej plazmie zapobiegnie rozproszeniu wewnętrznej, mniej gęstej zawartości.
- Pułapki faliste tworzą na końcu „żebrowane” pole magnetyczne, w którym ekspansja ciężkich jonów zostaje spowolniona na skutek „tarcia” o pole pułapki zamknięte w „wnękach”.
- Wreszcie pułapki gazodynamiczne tworzą za pomocą pola magnetycznego analogię naczynia z małym otworem, z którego plazma wypływa z mniejszą prędkością niż w przypadku „korków lustrzanych”.
Schemat układu magnetycznego i ogrzewania plazmy Gamma-10 wyraźnie pokazuje, jak daleko rozwiązania OL odeszły od prostych rozwiązań z lat 80-tych.
Jednocześnie w 1975 roku w pułapce 2X-IIB amerykańscy badacze jako pierwsi na świecie osiągnęli symboliczną temperaturę jonów 10 keV – optymalną dla termojądrowego spalania deuteru i trytu. Warto zaznaczyć, że lata 60-te i 70-te charakteryzowały się dążeniem w jakikolwiek sposób do pożądanej temperatury, gdyż... temperatura decyduje o tym, czy reaktor w ogóle będzie pracował, natomiast dwa inne parametry - gęstość i szybkość wycieku energii z plazmy (lub częściej zwane „czasem przetrzymywania”) można skompensować zwiększając rozmiar reaktora. Jednak pomimo symbolicznego osiągnięcia, 2X-IIB bardzo daleko było do nazwania reaktorem – teoretyczna moc wyjściowa stanowiłaby 0,1% mocy wydanej na zamknięcie i ogrzewanie plazmy. Poważnym problemem pozostała niska temperatura elektronów – około 90 eV na tle jonów o energii 10 keV, związana z tym, że w ten czy inny sposób elektrony były chłodzone o ścianki komory próżniowej, w której znajdowała się pułapka.
Elementy nieistniejącej już pułapki ambipolarnej AMBAL-M
Początek lat 80-tych to szczyt rozwoju tej gałęzi CTS. Szczytem rozwoju jest amerykański projekt MFTF o wartości 372 mln dolarów (czyli 820 mln dolarów według dzisiejszych cen, co przybliża projekt kosztowo do maszyny takiej jak Wendelstein 7-X czy tokamak K-STAR).
Nadprzewodzące moduły magnetyczne MFTF…
I korpus 400-tonowego magnesu nadprzewodzącego
Była to pułapka ambipolarna z magnesami nadprzewodzącymi, m.in. Arcydzieło terminala „yin-yang”, liczne systemy i diagnostyka ogrzewania plazmy, rekord pod każdym względem. Planowano osiągnąć Q=0,5, tj. Energia wytworzona w reakcji termojądrowej jest tylko dwukrotnie mniejsza niż koszt utrzymania pracy reaktora. Jakie rezultaty osiągnął ten program? Został zamknięty decyzją polityczną w stanie bliskim gotowości do startu.
Zakończ MFTF „Yin-Yang” podczas instalacji w 10-metrowej komorze próżniowej instalacji. Jego długość miała sięgać 60 metrów.
Mimo że tę decyzję, szokującą ze wszystkich stron, bardzo trudno wytłumaczyć, spróbuję.
W 1986 roku, kiedy MFTF był gotowy do startu, na horyzoncie koncepcji TCB pojawiła się kolejna ulubiona gwiazda. Prosta i tania alternatywa dla „brązowych” otwartych pułapek, które w tym czasie stały się zbyt skomplikowane i drogie w porównaniu z pierwotną koncepcją z początku lat 60. Wszystkie te magnesy nadprzewodzące o zagadkowych konfiguracjach, szybkie wtryskiwacze neutralne, potężna częstotliwość radiowa systemy ogrzewania plazmowego, zagadkowe obwody tłumienia niestabilności – wydawało się, że tak skomplikowane instalacje nigdy nie staną się prototypem elektrowni termojądrowej.
JET w oryginalnej konfiguracji limitera i miedzianych cewkach.
Zatem tokamaki. Na początku lat 80-tych maszyny te osiągnęły parametry plazmy wystarczające do spalania reakcji termojądrowej. W 1984 roku na rynek wprowadzono europejski tokamak JET, który powinien wykazywać Q=1 i wykorzystuje proste magnesy miedziane, a jego koszt to zaledwie 180 milionów dolarów. W ZSRR i Francji projektuje się tokamaki nadprzewodzące, które prawie nie marnują energii na pracę układu magnetycznego. Jednocześnie fizycy pracujący od lat nad otwartymi pułapkami nie byli w stanie poczynić postępów w zwiększaniu stabilności plazmy i temperatury elektronów, a obietnice dotyczące osiągnięć MFTF stają się coraz bardziej niejasne. Następne dziesięciolecia pokażą zresztą, że postawienie na tokamaki okazało się w miarę uzasadnione – to właśnie te pułapki, które osiągnęły poziom mocy i Q, zainteresowały energetyków.
Sukcesy otwartych pułapek i tokamaków do początku lat 80-tych na mapie „potrójnego parametru”. JET osiągnie punkt nieco powyżej „TFTR 1983” w roku 1997.
Decyzja w sprawie MFTF ostatecznie podważa stanowisko tego kierunku. Chociaż eksperymenty w Nowosybirskim Instytucie Fizyki Jądrowej i w japońskim ośrodku Gamma-10 są kontynuowane, dość udane programy ich poprzedników TMX i 2X-IIB dobiegają końca także w Stanach Zjednoczonych.
Koniec opowieści? NIE. Dosłownie na naszych oczach w 2015 roku odbywa się niesamowita cicha rewolucja. Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Budkera w Nowosybirsku, który konsekwentnie udoskonalał pułapkę GDL (swoją drogą warto zaznaczyć, że na Zachodzie dominowały pułapki ambipolarne, a nie gazowo-dynamiczne), nagle osiąga parametry plazmy, które w latach 80. przewidywali sceptycy jako „niemożliwe”.
Jeszcze raz GDL. Zielone cylindry wystające w różnych kierunkach to wtryskiwacze neutralne, o których mowa poniżej.
Trzy główne problemy, które zakopały otwarte pułapki, to stabilność MHD w konfiguracji osiowo-symetrycznej (wymagającej magnesów o skomplikowanym kształcie), brak równowagi funkcji rozkładu jonów (mikroniestabilność) i niska temperatura elektronów. W 2015 roku GDL o wartości beta 0,6 osiągnął temperaturę elektronu 1 keV. Jak to się stało?
Odejście od symetrii osiowej (cylindrycznej) w latach 60-tych w próbach przezwyciężenia niestabilności rowkowych i innych plazmy MHD doprowadziło, oprócz komplikacji układów magnetycznych, do wzrostu strat ciepła z plazmy w kierunku promieniowym. Grupa naukowców współpracujących z GDL wykorzystała pomysł z lat 80., aby zastosować promieniowe pole elektryczne, które tworzy wirową plazmę. Takie podejście doprowadziło do genialnego zwycięstwa - z beta 0,6 (przypomnę, że ten stosunek ciśnienia plazmy do ciśnienia pola magnetycznego jest bardzo ważnym parametrem przy projektowaniu każdego reaktora termojądrowego - ponieważ szybkość i gęstość uwalniania energii są określone przez ciśnienie plazmy, a koszt reaktora określa moc jego magnesów), w porównaniu do tokamaka plazma 0,05-0,1 jest stabilna.
Nowe „diagnostyczne” przyrządy pomiarowe pozwalają lepiej zrozumieć fizykę plazmy w GDT
Drugi problem związany z mikroniestabilnościami, spowodowanymi brakiem jonów niskotemperaturowych (które są pobierane z końców pułapki potencjałem dwubiegunowym) został rozwiązany poprzez przechylenie wtryskiwaczy wiązki neutralnej pod kątem. Taki układ tworzy piki gęstości jonów wzdłuż pułapki plazmowej, które zatrzymują „ciepłe” jony na ucieczce. Stosunkowo proste rozwiązanie prowadzi do całkowitego wytłumienia mikroniestabilności i znacznej poprawy parametrów zamknięcia plazmy.
Strumień neutronów z termojądrowego spalania deuteru w pułapce GDL. Czarne kropki to pomiary, linie to różne obliczone wartości dla różnych poziomów mikroniestabilności. Linia czerwona – mikroniestabilności są tłumione.
Wreszcie głównym „grabarzem” jest niska temperatura elektronów. Chociaż dla jonów w pułapkach osiągnięto parametry termojądrowe, wysoka temperatura elektronów jest kluczem do zapobiegania ochłodzeniu gorących jonów, a tym samym wysokich wartości Q. Powodem niskiej temperatury jest wysoka przewodność cieplna „wzdłuż” i potencjał dwubiegunowy wysysanie „zimnych” elektronów z ekspanderów za końcami, pułapkami wewnątrz układu magnetycznego. Do 2014 roku temperatura elektronów w pułapkach otwartych nie przekraczała 300 eV, a w GDT uzyskano psychologicznie istotną wartość 1 keV. Uzyskano go poprzez subtelną pracę z fizyką oddziaływania elektronów w ekspanderach końcowych z absorberami gazu obojętnego i plazmy.
To wywraca sytuację do góry nogami. Teraz proste pułapki ponownie zagrażają prymatowi tokamaków, które osiągnęły monstrualne rozmiary i złożoność (GDML-U, który łączy w sobie idee i osiągnięcia GDT oraz metodę poprawy podłużnego utrzymywania GOL. Chociaż pod wpływem nowych wyników obraz GDML się zmienia, pozostaje główną ideą w dziedzinie otwartych pułapek.
Jakie miejsce zajmują obecne i przyszłe rozwiązania w porównaniu z konkurencją? Tokamaki jak wiemy osiągnęły wartość Q=1, rozwiązały wiele problemów inżynierskich, pójdą raczej do budowy instalacji jądrowych niż elektrycznych i śmiało zmierzają w stronę prototypu reaktora energetycznego o Q=10 i mocy moc termojądrowa do 700 MW (ITER). Pozostające kilka kroków w tyle stellaratory odchodzą od studiowania fizyki podstawowej i rozwiązywania problemów inżynieryjnych przy Q = 0,1, ale nie ryzykują jeszcze wejścia w dziedzinę prawdziwych instalacji jądrowych z termojądrowym spalaniem trytu. GDML-U mógłby być podobny pod względem parametrów plazmy do stellaratora W-7X (jest jednak instalacją pulsacyjną z kilkusekundowym czasem wyładowania w porównaniu do półgodzinnej długotrwałej pracy W-7X), jednakże ze względu na prostą geometrię jego koszt mógłby być kilkukrotnie wyższy niż w przypadku niemieckiego stellaratora.
Ocena BINP.
Istnieją możliwości wykorzystania GDML jako obiektu do badania interakcji plazmy i materiałów (jednak na świecie jest sporo takich obiektów) oraz jako źródła neutronów termojądrowych do różnych celów.
Ekstrapolacja wymiarów HDML w zależności od pożądanej Q i możliwych zastosowań.
Jeżeli jutro otwarte pułapki ponownie staną się faworytami w wyścigu do CTS, można by się spodziewać, że dzięki niższym inwestycjom kapitałowym na każdym etapie do 2050 roku dogonią i wyprzedzą tokamaki, stając się sercem pierwszych elektrowni termojądrowych. Chyba, że plazma przyniesie nowe, nieprzyjemne niespodzianki...
Tagi: Dodaj tagi
Otwórz pułapki
Jednym z typów instalacji do magnetycznego przetrzymywania plazmy termojądrowej są pułapki otwarte. Otwarte pułapki mają wiele ważnych zalet w porównaniu z innymi systemami ograniczającymi: są atrakcyjne z inżynierskiego punktu widzenia; skutecznie wykorzystują pole magnetyczne ograniczające plazmę; umożliwiają pracę w trybie stacjonarnym; rozwiązują w stosunkowo prosty sposób problem usuwania produktów reakcji termojądrowych i ciężkich zanieczyszczeń z plazmy. Jednak przez długi czas uważano, że perspektywy otwartych pułapek jako podstawy reaktora termojądrowego są wątpliwe ze względu na zbyt duże tempo utraty plazmy wzdłuż linii pola magnetycznego. Sytuacja zmieniła się na lepsze dopiero w ostatniej dekadzie, kiedy zaproponowano szereg udoskonaleń pułapek otwartych, które w dużej mierze wyeliminowały tę wadę. W artykule przedstawiono zasady fizyczne nowych typów pułapek otwartych (ambipolarnych, odśrodkowych, wielokrotnych zwierciadeł, gazodynamicznych itp.), opisano aktualny stan badań nad nimi oraz przedstawiono prognozy przyszłych perspektyw tych systemów. Rozważane są możliwości wykorzystania otwartych pułapek jako wysokostrumieniowych generatorów neutronów o energii 14 MeV. Ił. 29. Bibliografia. literatura 97 (102 tytuły).
Ładowanie...