Открытые ловушки

Открытые ловушки — одна из разновидностей установок для магнитного удержания термоядерной плазмы. Открытые ловушки обладают рядом важных преимуществ по отношению к другим системам удержания: они привлекательны с инженерной точки зрения; в них эффективно используется удерживающее плазму магнитное поле; они допускают работу в стационарном режиме; в них относительно просто решается проблема удаления из плазмы продуктов термоядерной реакции и тяжелых примесей. Вместе с тем долгое время считалось, что перспективы открытых ловушек в качестве основы термоядерного реактора сомнительны из-за слишком большой скорости потерь плазмы вдоль силовых линий магнитного поля. Положение изменилось к лучшему только в течение последнего десятилетия, когда был предложен ряд усовершенствований открытых ловушек, позволивших в значительной мере избавить их от этого недостатка. В обзоре излагаются физические принципы новых типов открытых ловушек (амбиполярной, центробежной, многопробочной, газодинамической и др.), рассказывается о современном состоянии исследований на них, делаются прогнозы дальнейших перспектив этих систем. Рассматриваются возможности применения открытых ловушек в качестве высокопоточных генераторов нейтронов с энергией 14 МэВ. Ил. 29. Библиогр. ссылок 97 (102 назв.).

Учёные Института ядерной физики (ИЯФ) добились устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов Цельсия, сообщил НСН заместитель директора ИЯФ по научной работе Александр Иванов . Учёный рассказал, какие перспективы открывает данная разработка и почему она в принципе исключает появление радиоактивных отходов.

- ИЯФ начал рассматривать варианты создания термоядерной системы на основе открытой ловушки. Что это означает?

Если речь идёт о нагреве плазмы в 10 млн градусов, нужно помнить, что эта температура выше, чем в центре Солнца. Естественно, такую горячую плазму нельзя удерживать в каком-то сосуде с материальными стенками – даже если они будут очень толстыми, они всё равно сгорят. Чтобы этого избежать, то есть удержать горячую плазму, есть по меньшей мере два способа.

Первый - когда плазма помещается в сильное тороидальное магнитное поле, которое меняет траекторию частиц плазмы, после чего они начинают двигаться по кружкам, наматывающимся на силовые линии магнитного поля. При этом поперёк магнитного поля плазма не перемещается, не создавая никакого теплового потока. На этом принципе основаны установки токамак, которые имеют вид «бублика» с магнитным полем внутри, предложенные у нас в стране для магнитного удержания плазмы для проведения управляемого термоядерного синтеза. В гонке идей, как создать Солнце на Земле, сейчас лидируют именно эти установки.

Существует и другая система. Упрощённо говоря, это длинная открытая ловушка труба с продольным магнитным полем, где плазма удерживается от контакта со стенкой, но относительно свободно растекается вдоль и попадает на торцевые стенки. В этих ловушках мы научились делать так, что потери тепла вдоль магнитного поля очень сильно уменьшаются по сравнению со свободным разлётом плазмы.

- Как далеко мы находимся до создания термоядерного реактора?

Есть реакторы, принцип действия которых построен на токамаках, есть – на открытых ловушках, а существуют и, например, импульсные системы, когда лазером поджигают капельку тритий-дейтериевого топлива, и она сгорает за миллионные доли секунды, давая энергию.

Что касается токамаков, через 10 лет во Франции будет запущен большой реактор ИТЭР – циклопическое сооружение большой сложности, где будет продемонстрировано термоядерное горение плазмы. При этом температура там примерно в 10 раз больше, чем на данный момент мы можем получить сейчас на открытых ловушках.

Но, тем не менее, при температуре в 10 млн градусов можно сделать очень полезные вещи – в частности, очень мощный источник нейтронов, который нужен, например, для испытания материалов будущего термоядерного реактора. (То есть стенки токамаков в ходе испытаний будут подвергаться очень мощному потоку нейтронов, и учёные, таким образом, смогут полностью смоделировать ситуацию.) Также нейтронные источники могут использоваться в качестве драйверов для подкритических реакторов деления – они вставляются внутрь системы ядерного реактора, работающего с коэффициентом усиления меньше единицы. Это сильно повышает безопасность работы подкритической системы, что в принципе исключает возможность аварий по типу чернобыльской.

- Каким же прорывом «чревато» ваше достижение?

Сейчас мы российские специалисты-ядерщики достигли такого уровня, при котором можно начинать проектирование прототипов таких мощных источников нейтронов. Если же смотреть с прицелом на более дальнюю перспективу, я не вижу ограничений, чтобы не увеличить температуру нагрева плазмы не до 10 млн, а, скажем, до 300 млн градусов.

Исходя из этого посыла, мы в ИЯФ рассматриваем возможности для создания следующих поколения ловушек, параметры которых будут существенно увеличены. И будем серьёзно думать над созданием альтернативного ИТЭР реактора. Если это все получится, наш термоядерный реактор на основе открытой ловушки возможно будет даже коммерчески гораздо более привлекательным, чем таковой на основе токамаков, и создаваемое во Франции сооружение не может соревноваться с ним по технической простоте.

Сейчас мы достигли такого уровня, при котором можно начинать проектирование прототипов таких мощных источников нейтронов. Если же смотреть с прицелом на более дальнюю перспективу, я не вижу ограничений, чтобы не увеличить температуру нагрева плазмы не до 10 млн, а, скажем, до 300 млн градусов.

Исходя из этого посыла, мы в ИЯФ рассматриваем возможности для создания следующих поколения ловушек, параметры которых будут существенно увеличены. И будем серьёзно думать над созданием альтернативного реактора. Если всё получится, термоядерный реактор на основе открытой ловушки, возможно, будет даже коммерчески более привлекательным, чем таковой на основе токамаков.

- Реакторы на основе открытой ловушки… в чём ещё они предпочтительнее токамаков?

Мы надеемся, что появление реакторов на основе открытой ловушки, над которыми мы сейчас работаем, при определённом развитии будут возможным. Они имеют определенные достоинства по сравнению с токамаками. Не в последнюю очередь я имею в виду возможность работы на термоядерном топливе, которое либо совсем не даёт нейтронов, либо даёт их совсем мало, что не чревато проблемой длительного хранения и захоронения радиоактивных отходов.

Отметим, ИЯФ уже сообщал о планах разработки альтернативного ИТЭР реактора. Окончательно оформить технико-экономические основания для проекта прототипа альтернативного реактора с условным названием ГДМЛ (газодинамическая ловушка) институт планирует в рамках программы Института с финансированием Российского научного фонда, которая рассчитана до 2018 года.

9 августа 2016 года в 10.40 в Институте ядерной физики СО РАН (проспект Академика Лаврентьева, д. 11, Новосибирск) состоится пресс-подход с ключевыми участниками 11-ой международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы . Они расскажут о последних результатах ведущих научных центров, занимающихся исследованиями в этой области. Например, ученые ИЯФ СО РАН разработали перспективный метод генерации плазмы при помощи мощного микроволнового излучения в крупномасштабной магнитной ловушке открытого типа (ГДЛ). Этот метод позволил успешно провести эксперименты по улучшению удержания плазмы с параметрами термоядерного диапазона. Кроме того, на установке ИЯФ СО РАН был исследован разлёт брызг жидкого вольфрама в термоядерных реакторах будущего.

Участники пресс-подхода:

1. Александр Александрович ИВАНОВ , доктор физико-математических наук, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе.

2. Александр Геннадиевич ШАЛАШОВ , доктор физико-математических наук, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

3. Йосуке НАКАШИМА , профессор, Центр плазменных исследований, Университет г. Цукуба, Япония. (Prof. Nakashima Yousuke, Plasma Research Center, University of Tsukuba, Japan)

4. Тхэхёп О , профессор, Национальный институт термоядерных исследований, г.Тэджон, Корея. (Prof. Lho Taihyeop, National Fusion Research Institute, Daejeong, Korea).

Конференция проходит раз в два года поочередно на площадках научных центров России (Новосибирск, ИЯФ СО РАН), Японии и Кореи. Основные направления, которые будут представлены - физика удержания плазмы в открытых ловушках, системы нагрева для открытых ловушек, плазменные диагностики, взаимодействие плазмы с поверхностью.

Существует несколько вариантов, на основе которых в будущем станет возможным построить термоядерный реактор - токамак, стелларатор, открытые ловушки, конфигурация с обращенным полем и другие. Сейчас наиболее развито направление токамаков, но и альтернативные системы обладают рядом достоинств: они проще технически и могут быть более привлекательны экономически как реактор. Возможно, в будущем токамак будет вытеснен или станет сосуществовать с другими типами ловушек. ИЯФ СО РАН занимается альтернативным направлением - открытыми ловушками для удержания плазмы.

Ранее считалось, что такой тип установок можно рассматривать в большей степени как инструмент изучения фундаментальных свойств плазмы, а также в качестве стендов для поддерживающих экспериментов для первого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Однако последние результаты - нагрев плазмы до температуры 10 миллионов градусов на открытой ловушке ГДЛ (ИЯФ СО РАН, Россия) и демонстрация квазистационарного состояния плазмы на установке С-2 (Tri Alphа Energy, США) - показали, что в альтернативных системах можно достичь гораздо более высоких параметров плазмы, чем считалось.

Наиболее крупные открытые ловушки работают в России, Японии, Китае, Южной Корее и США.

Контакты для аккредитации :

Алла Сковородина,
специалист по связям с общественностью ИЯФ СО РАН,
р.т.+7 383 329-47-55, м.т.+7 913 9354687, e-mail:

Краткая справка о типах моделей термоядерного реактора

Токамак (сокращение от «тороидальная камера магнитная»), замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора и предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы. Токамак разработан и создан для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза и создания термоядерного реактора.

Открытые ловушки - разновидность магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль магнитного поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для открытых ловушек характерна линейная геометрия, причём силовые линии магнитного поля пересекают торцевые поверхности плазмы. Открытые ловушки имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми. Они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магнитного поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, многие разновидности открытых ловушек могут работать в стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе открытых ловушек требует экспериментальных доказательств.

По материалам Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН" 1988, т. 154, с.565.

Наверное нет ни одного поля человеческой деятельности, столь полной разочарований и отвергнутых героев, как попытки создать термоядерную энергетику. Сотня концепций реакторов, десятки команд, которые последовательно становились фаворитами публики и госбюджетов, и наконец вроде определившийся в победитель в виде токамаков. И вот опять - достижения новосибирских ученых возрождают интерес по всему миру к концепции, жестоко растоптанной в 80х. А теперь подробнее.

Открытая ловушка ГДЛ, на которой получены впечатляющие результаты

Среди всего многообразия предложений, как же извлекать энергию из термоядерного слияния больше всего ориентируются на стационарное удержание относительно неплотной термоядерной плазмы. Например проект ИТЭР и шире - тороидальные ловушки токамаки и стеллараторы - именно отсюда. Тороидальные они потому что это простейшая форма замкнутого сосуда из магнитных полей (из-за теоремы о причесывании ежа сферический сосуд сделать не получится). Однако на заре исследований в поле управляемого термоядерного синтеза фаворитами выглядели не ловушки сложной трехмерной геометрии, а попытки удержать плазму в так называемых открытых ловушках. Это обычно тоже магнитные сосуды циллиндрической формы в которых плазма хорошо удерживается в радиальном направлении и утекает с обоих концов. Идея изобретателей тут проста - если нагрев новой плазмы термоядерной реакцией будет идти быстрее, чем расход тепла с утекающей с концов - то и бог с ним, с открытостью нашего сосуда, энергия будет вырабатываться, а утечка все равно будет происходить в вакуумный сосуд и топливо будет гулять в реакторе, пока не сгорит.

Идея открытой ловушки - магнитный циллиндр с пробками/зеркалами на концах и расширителями за ними.

Кроме того, во всех открытых ловушках применяются те или иные способы задержать плазму от вылета через концы - и самый простой здесь - это резко усилить магнитное поле на концах (поставить магнитные “пробки” в отечественной терминологии или “зеркала” в западной), при этом налетающие заряженные частицы будут, фактически, отпружинивать от зеркал-пробок и только небольшая часть плазмы будет проходить сквозь них и попадать в специальные расширители.

И чуть менее схематическое изображение героини сегодняшнего дня - добавляется вакуумная камера, в которой летает плазма, и всякое оборудование.

Первый эксперимент с “зеркальной” или “открытой” ловушкой - Q-cucumber был поставлен в 1955 году в американской Lawrence Livermore National Laboratory . На долгие годы эта лаборатория становится лидером в развитии концепции УТС на базе открытых ловушек (ОЛ).

Первый в мире эксперимент - открытая ловушка с магнитными зеркалами Q-cucumber

По сравнению с замкнутыми конкурентами в плюсы ОЛ можно записать гораздо более простую геометрию реактора и ее магнитной системы, а значит - дешевизну. Так, после падения первого фаворита УТС - Z-pinch реакторов открытые ловушки получают максимальный приоритет и финансирование в начале 60х годов, как обещающие быстрое решение за небольшие деньги.

Начало 60х, ловушка Table Top

Однако тот самый Z-pinch пошел в отставку не случайно. Его похороны были связаны с проявлением природы плазмы - нестабильностями, которые разрушали плазменные образования при попытке сжать плазму магнитным полем. И именно эта, плохо изученная 50 лет назад особенность сразу начала раздражающе мешать экспериментаторам с открытыми ловушками. Желобковые неустойчивости заставляют усложнять магнитную систему, вводя кроме простых круглых соленоидов “палки Иоффе”, “бейсбольные ловушки” и “катушки инь-янь” и снижать отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (параметр β).

«Бейсбольный» сверхпроводящий магнит ловушки Baseball II, середина 70х

Кроме того, утечка плазмы идет по разному для частиц с разной энергии, что приводит к неравновесности плазмы (т.е. немаксвелловскому спектру скоростей частиц), что вызывает еще ряд неприятных неустойчивостей. Эти неустойчивости в свою очередь “раскачивая” плазму ускоряют ее уход через концевые пробкотроны.В конце 60х годов простые варианты открытых ловушек достигли предела по температуре и плотности удерживаемой плазмы, и эти цифры были намного порядков меньше нужных для термоядерной реакции. Проблема в основном заключалась в быстром продольном охлаждении электронов, на которых затем теряли энергию и ионы. Нужны были новые идеи.

Успешнейшая амбиполярная ловушка TMX-U

Физики предлагают новые решения, связанные прежде всего с улучшением продольного удержания плазмы: амбиполярное удержание, гофрированные ловушки и газодинамические ловушки.

• Амбиполярное удержание базируется на том факте, что электроны “вытекают” из открытой ловушки в 28 раз быстрее ионов дейтерия и трития, и на концах ловушки возникает разность потенциалов - положительный от ионов внутри и отрицательный снаружи. Если на концах установки сделать усиления поля с плотной плазмой, то амбиполярный потенциал в плотной плазме будет удерживать внутреннее менее плотное содержимое от разлета.
• Гофрированные ловушки создают на конце “ребристое” магнитное поле, на котором разлет тяжелый ионов тормозиться из-за “трения” об запертые в “впадинах” поля ловушки.
• Наконец газодинамические ловушки создают магнитным полем аналог сосуда с маленькой дырочкой, из которого плазма вытекает с меньшей скоростью, чем в случае “зеркал-пробок”.

Интересно, что все эти концепции, по которым были построены экспериментальные установки потребовали дальнейшего усложнения инженерии открытых ловушек. Прежде всего, здесь впервые в УТС появляются сложные ускорители нейтральных пучков, которые нагревают плазму (в первых установках нагрев достигался обычным электрическим разрядом) и модулируют ее плотность в установке. Добавляется и радиочастотный нагрев, впервые появившийся на рубеже 60х/70х в токамаках. Строятся крупные и дорогие установки Gamma-10 в Японии, TMX в США, АМБАЛ-М, ГОЛ и ГДЛ в Новосибирском ИЯФе.

Схема магнитной системы и нагрева плазмы Gamma-10 хорошо иллюстрирует как далеко ушли от простых решений ОЛ к 80-м годам.

Параллельно, в 1975 на ловушке 2Х-IIB американские исследователи первыми в мире достигают символичной температуры ионов в 10 кЭв - оптимальной для протекания термоядерного горения дейтерия и трития. Надо заметить, что в 60е и 70е прошли под знаком погони за нужной температуры хоть каким путем, т.к. температура определяет, заработает ли реактор вообще, тогда как два других параметра - плотность и скорость утечки энергии из плазмы (или чаще это называют “временем удержания”) можно компенсировать увеличением размера реактора. Однако несмотря на символическое достижение, 2Х-IIB была очень далеко от того, что бы называться реактором - теоретическая выделяемая мощность составляла бы 0,1% от затрачиваемой на удержание и подогрев плазмы. Серьезной проблемой оставалась низкая температура электронов - порядка 90 эВ на фоне 10 кЭв ионов, связанная с тем, что так или иначе электроны охлаждались о стенки вакуумной камеры, в которой расположена ловушка.

Элементы ныне не работающей амбиполярной ловушки АМБАЛ-М

В начале 80х приходится пик развития этой ветви УТС. Пиком развития становится американский проект MFTF стоимостью в 372 млн долларов (или 820 млн в сегодняшних ценах, что приближает проект по стоимости к такой машине как Wendelstein 7-X или токамаку K-STAR).

Сверхпроводящие магнитные модули MFTF…

И корпус ее 400 тонного концевого сверхпроводящего магнита

Это была амбиполярная ловушка со сверхпроводящими магнитами, в т.ч. шедевральными концевыми “инь-янь”, многочисленными системами и подогрева диагностики плазмы, рекордная по всем параметрам. На нем планировалось достичь Q=0,5, т.е. энерговыход термоядерной реации всего в два раза меньше затрат на поддержание работы реактора. Каких же результатов достигла эта программа? Она была закрыта политическим решением в состоянии, близком к готовности к запуску.

Концевой «Инь-Янь» MFTF во время монтажа в 10-метровой вакуумной камере установки. Ее длина должна была достигать 60 метров.

Не смотря на то, что это шокирующее со всех сторон решение очень сложно объяснить, я попробую.

К 1986 году, когда MFTF была готова к запуску на небосклоне концепций УТС зажглась звезда другого фаворита. Простая и дешевая альтернатива “забронзовевшим” открытым ловушкам, которые к этому моменту стали слишком сложными и дорогими на фоне изначальной концепции начала 60х Все эти сверхпроводящие магниты головоломных конфигураций, инжекторы быстрых нейтралов, мощные радиочастотные системы нагрева плазмы, головоломные схемы подавления нестабильности - казалось, что никогда такие сложные установки не станут прообразом термоядерной электростанции.

JET в первоначальной лимитерной конфигурации и медными катушками.

Итак токамаки. В начале 80х годов эти машины достигли параметров плазмы, достаточной для горения термоядерной реакции. В 1984 году пущен европейский токамак JET, который должен показать Q=1, и он использует простые медные магниты, его стоимость составляет всего 180 млн долларов. В СССР и Франции проектируют сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратят энергию на работу магнитной системы. В то же время физики, работающие на отрытых ловушках годами не могут добиться прогресса в повышении устойчивости плазмы, электронной температуры, и обещания по достижениям MFTF становятся все более расплывчатыми. Следующие десятилетия, кстати, покажут, что ставка на токамаки оказалась сравнительно оправданной - именно эти ловушки дошли до уровня мощностей и Q, интересных энергетикам.

Успехи открытых ловушек и токамаков к началу 80х на карте «тройного параметра». JET достигнет точки слегка выше «TFTR 1983» в 1997 году.

Решение по MFTF окончательно подрывает позиции этого направления. Хотя эксперименты в новосибирском ИЯФ и на японской установке Gamma-10 продолжаются, в США закрывают и довольно успешные программы предшественников TMX и 2Х-IIB.

Конец истории? Нет. Буквально на наших глазах, в 2015 году, происходит удивительная тихая революция. Исследователи из института ядерной физики им. Будкера в Новосибирске, последовательно улучшавшие ловушку ГДЛ (кстати, надо заметить, что на западе первенствовали амбиполярные, а не газодинамические ловушки) внезапно достигают параметров плазмы, которые были предсказаны, как “невозможные” скептиками в 80х.

Еще раз ГДЛ. Зеленые цилиндры, торчащие в разные стороны - это инжекторы нейтралов, о которых речь ниже.

Три основные проблемы, похоронившие открытые ловушки - МГД устойчивость в осесимметричной конфигурации (потребовавшая магнитов сложной формы), неравновесность функции распределения ионов (микронеустойчивости), и низкая электронная температура. В 2015 году ГДЛ, при значении бета 0,6 достигла температуры электронов в 1 кЭв. Как это произошло?

Уход от осевой (цилиндрической) симметрии в 60х в попытках победить желобковые и другие МГД-неустойчивости плазмы привел кроме усложнения магнитных систем еще и к увеличению потерь тепла из плазмы в радиальном направлении. Группа ученых, работавших с ГДЛ использовала идею 80х годов по приложению радиального электрического поля, создающего завихренную плазму. Этот подход привел к блестящей победе - при бета 0,6 (напомню, что это отношение давления плазмы к давлению магнитного поля - весьма важный параметр в конструкции любого термоядерного реактор - т.к. скорость и плотность энерговыделения определяются давлением плазмы, а стоимость реактора определяется мощностью его магнитов), по сравнению с токамачной 0,05–0,1 плазма стабильна.

Новые измерительные приборы-«диагностики», позволяют лучше понимать физику плазмы в ГДЛ

Вторая проблема с микронеустойчивостями, вызванная недостатком ионов с низкими температурами (которые вытягиваются с концов ловушки амбиполярным потенциалом) была решена с помощью наклона инжекторов нейтральных лучей под углом. Такое расположение создает вдоль плазменной ловушки пики плотности ионов, которые задерживают “теплые” ионы от ухода. Относительно простое решение приводит к полному подавлению микронеустойчивостей и к значительному улучшению параметров удержания плазмы.

Поток нейтронов от термоядерного горения дейтерия в ловушке ГДЛ. Черные точки - измерения, линии - разннобразные расчетные значения для разного уровня микронестабильностей. Красная линия - микронестабильности подавлены.

Наконец, главный “могильщик” - низкая температура электронов. Хотя для ионов в ловушках достигнуты термоядерные параметры, высокая электронная температура является ключем к удержанию горячих ионов от остыванию, а значит к высоким значением Q. Причиной низкой температуры является высокая теплопроводность “вдоль” и амбиполярный потенциал, засасывающий “холодные” электроны из расширителей за концами ловушки внутрь магнитной системы. До 2014 года электронная температура в открытых ловушках не превышала 300 эВ, а в ГДЛ было получено психологически важное значение в 1 кЭв. Оно получено за счет тонкой работы с физикой взаимодействия электронов в концевых расширителях с нейтральным газом и поглотителями плазмы. по установкам только в самом ИЯФ. Выиграв грант Минобрнауки в 650 млн рублей, институт построит несколько инженерных стендов, в рамках перспективного ректора ""ГДМЛ-U":[http://tnenergy.livejournal.com/8007.html ]", объединяющего идеи и достижения ГДЛ и способ улучшения продольного удержания ГОЛ. Хотя под влиянием новых результатов образ ГДМЛ меняется, но она остается магистральной идеей в области открытых ловушек.

Где находятся текущие и будущие разработки по сравнению с конкурентами? Токамаки, как известно, достигли значения Q=1, решили множество инженерных проблем, перешлю к строительству ядерных, а не электрических установок и уверено движутся к уже скорее прообразу энергетического реактора с Q=10 и термоядерной мощностью до 700 МВт (ИТЭР). Стеллараторы, отстающие на пару шагов переходят от изучения принципиальной физики и решению инженерных проблем при Q=0.1, но пока не рискуют заходить на поле истинно ядерных установок с термоядерным горением трития. ГДМЛ-U могла бы быть похожа на стелларатор W-7X по параметрам плазмы (будучи, однако, импульсной установкой с длительностью разряда в несколько секунд против получасовой в перспективе работы W-7X), однако за счет простой геометрии ее стоимость может быть в несколько раз меньше немецкого стелларатора.

Оценка ИЯФ.

Есть варианты использования ГДМЛ в качестве установки для исследования взаимодействия плазмы и материалов (таких установок, впрочем, довольно много в мире) и в качестве термоядерного источника нейтронов для разных целей.

Экстраполяция размеров ГДМЛ в зависимости от нужного Q и возможных применений.

Если же завтра открытые ловушки вновь станут фаворитами в гонке к УТС, можно было бы рассчитывать, что за счет меньших капвложений в каждый этап, к 2050 году они догонят и перегонят токамаки, став сердцем первых термоядерных электростанций. Если только плазма не преподнесет новые неприятные сюрпризы…

Наверное нет ни одного поля человеческой деятельности, столь полной разочарований и отвергнутых героев, как попытки создать термоядерную энергетику. Сотня концепций реакторов, десятки команд, которые последовательно становились фаворитами публики и госбюджетов, и наконец вроде определившийся в победитель в виде токамаков. И вот опять - достижения новосибирских ученых возрождают интерес по всему миру к концепции, жестоко растоптанной в 80х. А теперь подробнее.

Открытая ловушка ГДЛ, на которой получены впечатляющие результаты

Среди всего многообразия предложений, как же извлекать энергию из термоядерного слияния больше всего ориентируются на стационарное удержание относительно неплотной термоядерной плазмы. Например проект ИТЭР и шире - тороидальные ловушки токамаки и стеллараторы - именно отсюда. Тороидальные они потому что это простейшая форма замкнутого сосуда из магнитных полей (из-за теоремы о причесывании ежа сферический сосуд сделать не получится). Однако на заре исследований в поле управляемого термоядерного синтеза фаворитами выглядели не ловушки сложной трехмерной геометрии, а попытки удержать плазму в так называемых открытых ловушках. Это обычно тоже магнитные сосуды циллиндрической формы в которых плазма хорошо удерживается в радиальном направлении и утекает с обоих концов. Идея изобретателей тут проста - если нагрев новой плазмы термоядерной реакцией будет идти быстрее, чем расход тепла с утекающей с концов - то и бог с ним, с открытостью нашего сосуда, энергия будет вырабатываться, а утечка все равно будет происходить в вакуумный сосуд и топливо будет гулять в реакторе, пока не сгорит.

Идея открытой ловушки - магнитный циллиндр с пробками/зеркалами на концах и расширителями за ними.

Кроме того, во всех открытых ловушках применяются те или иные способы задержать плазму от вылета через концы - и самый простой здесь - это резко усилить магнитное поле на концах (поставить магнитные “пробки” в отечественной терминологии или “зеркала” в западной), при этом налетающие заряженные частицы будут, фактически, отпружинивать от зеркал-пробок и только небольшая часть плазмы будет проходить сквозь них и попадать в специальные расширители.

И чуть менее схематическое изображение героини сегодняшнего дня - добавляется вакуумная камера, в которой летает плазма, и всякое оборудование.

Первый эксперимент с “зеркальной” или “открытой” ловушкой - Q-cucumber был поставлен в 1955 году в американской Lawrence Livermore National Laboratory . На долгие годы эта лаборатория становится лидером в развитии концепции УТС на базе открытых ловушек (ОЛ).

Первый в мире эксперимент - открытая ловушка с магнитными зеркалами Q-cucumber

По сравнению с замкнутыми конкурентами в плюсы ОЛ можно записать гораздо более простую геометрию реактора и ее магнитной системы, а значит - дешевизну. Так, после падения первого фаворита УТС - Z-pinch реакторов открытые ловушки получают максимальный приоритет и финансирование в начале 60х годов, как обещающие быстрое решение за небольшие деньги.

Начало 60х, ловушка Table Top

Однако тот самый Z-pinch пошел в отставку не случайно. Его похороны были связаны с проявлением природы плазмы - нестабильностями, которые разрушали плазменные образования при попытке сжать плазму магнитным полем. И именно эта, плохо изученная 50 лет назад особенность сразу начала раздражающе мешать экспериментаторам с открытыми ловушками. Желобковые неустойчивости заставляют усложнять магнитную систему, вводя кроме простых круглых соленоидов “палки Иоффе”, “бейсбольные ловушки” и “катушки инь-янь” и снижать отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (параметр β).

«Бейсбольный» сверхпроводящий магнит ловушки Baseball II, середина 70х

Кроме того, утечка плазмы идет по разному для частиц с разной энергии, что приводит к неравновесности плазмы (т.е. немаксвелловскому спектру скоростей частиц), что вызывает еще ряд неприятных неустойчивостей. Эти неустойчивости в свою очередь “раскачивая” плазму ускоряют ее уход через концевые пробкотроны.В конце 60х годов простые варианты открытых ловушек достигли предела по температуре и плотности удерживаемой плазмы, и эти цифры были намного порядков меньше нужных для термоядерной реакции. Проблема в основном заключалась в быстром продольном охлаждении электронов, на которых затем теряли энергию и ионы. Нужны были новые идеи.

Успешнейшая амбиполярная ловушка TMX-U

Физики предлагают новые решения, связанные прежде всего с улучшением продольного удержания плазмы: амбиполярное удержание, гофрированные ловушки и газодинамические ловушки.

• Амбиполярное удержание базируется на том факте, что электроны “вытекают” из открытой ловушки в 28 раз быстрее ионов дейтерия и трития, и на концах ловушки возникает разность потенциалов - положительный от ионов внутри и отрицательный снаружи. Если на концах установки сделать усиления поля с плотной плазмой, то амбиполярный потенциал в плотной плазме будет удерживать внутреннее менее плотное содержимое от разлета.
• Гофрированные ловушки создают на конце “ребристое” магнитное поле, на котором разлет тяжелый ионов тормозиться из-за “трения” об запертые в “впадинах” поля ловушки.
• Наконец газодинамические ловушки создают магнитным полем аналог сосуда с маленькой дырочкой, из которого плазма вытекает с меньшей скоростью, чем в случае “зеркал-пробок”.

Интересно, что все эти концепции, по которым были построены экспериментальные установки потребовали дальнейшего усложнения инженерии открытых ловушек. Прежде всего, здесь впервые в УТС появляются сложные ускорители нейтральных пучков, которые нагревают плазму (в первых установках нагрев достигался обычным электрическим разрядом) и модулируют ее плотность в установке. Добавляется и радиочастотный нагрев, впервые появившийся на рубеже 60х/70х в токамаках. Строятся крупные и дорогие установки Gamma-10 в Японии, TMX в США, АМБАЛ-М, ГОЛ и ГДЛ в Новосибирском ИЯФе.

Схема магнитной системы и нагрева плазмы Gamma-10 хорошо иллюстрирует как далеко ушли от простых решений ОЛ к 80-м годам.

Параллельно, в 1975 на ловушке 2Х-IIB американские исследователи первыми в мире достигают символичной температуры ионов в 10 кЭв - оптимальной для протекания термоядерного горения дейтерия и трития. Надо заметить, что в 60е и 70е прошли под знаком погони за нужной температуры хоть каким путем, т.к. температура определяет, заработает ли реактор вообще, тогда как два других параметра - плотность и скорость утечки энергии из плазмы (или чаще это называют “временем удержания”) можно компенсировать увеличением размера реактора. Однако несмотря на символическое достижение, 2Х-IIB была очень далеко от того, что бы называться реактором - теоретическая выделяемая мощность составляла бы 0,1% от затрачиваемой на удержание и подогрев плазмы. Серьезной проблемой оставалась низкая температура электронов - порядка 90 эВ на фоне 10 кЭв ионов, связанная с тем, что так или иначе электроны охлаждались о стенки вакуумной камеры, в которой расположена ловушка.

Элементы ныне не работающей амбиполярной ловушки АМБАЛ-М

В начале 80х приходится пик развития этой ветви УТС. Пиком развития становится американский проект MFTF стоимостью в 372 млн долларов (или 820 млн в сегодняшних ценах, что приближает проект по стоимости к такой машине как Wendelstein 7-X или токамаку K-STAR).

Сверхпроводящие магнитные модули MFTF…

И корпус ее 400 тонного концевого сверхпроводящего магнита

Это была амбиполярная ловушка со сверхпроводящими магнитами, в т.ч. шедевральными концевыми “инь-янь”, многочисленными системами и подогрева диагностики плазмы, рекордная по всем параметрам. На нем планировалось достичь Q=0,5, т.е. энерговыход термоядерной реации всего в два раза меньше затрат на поддержание работы реактора. Каких же результатов достигла эта программа? Она была закрыта политическим решением в состоянии, близком к готовности к запуску.

Концевой «Инь-Янь» MFTF во время монтажа в 10-метровой вакуумной камере установки. Ее длина должна была достигать 60 метров.

Не смотря на то, что это шокирующее со всех сторон решение очень сложно объяснить, я попробую.
К 1986 году, когда MFTF была готова к запуску на небосклоне концепций УТС зажглась звезда другого фаворита. Простая и дешевая альтернатива “забронзовевшим” открытым ловушкам, которые к этому моменту стали слишком сложными и дорогими на фоне изначальной концепции начала 60х Все эти сверхпроводящие магниты головоломных конфигураций, инжекторы быстрых нейтралов, мощные радиочастотные системы нагрева плазмы, головоломные схемы подавления нестабильности - казалось, что никогда такие сложные установки не станут прообразом термоядерной электростанции.

JET в первоначальной лимитерной конфигурации и медными катушками.

Итак токамаки. В начале 80х годов эти машины достигли параметров плазмы, достаточной для горения термоядерной реакции. В 1984 году пущен европейский токамак JET, который должен показать Q=1, и он использует простые медные магниты, его стоимость составляет всего 180 млн долларов. В СССР и Франции проектируют сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратят энергию на работу магнитной системы. В то же время физики, работающие на отрытых ловушках годами не могут добиться прогресса в повышении устойчивости плазмы, электронной температуры, и обещания по достижениям MFTF становятся все более расплывчатыми. Следующие десятилетия, кстати, покажут, что ставка на токамаки оказалась сравнительно оправданной - именно эти ловушки дошли до уровня мощностей и Q, интересных энергетикам.

Успехи открытых ловушек и токамаков к началу 80х на карте «тройного параметра». JET достигнет точки слегка выше «TFTR 1983» в 1997 году.

Решение по MFTF окончательно подрывает позиции этого направления. Хотя эксперименты в новосибирском ИЯФ и на японской установке Gamma-10 продолжаются, в США закрывают и довольно успешные программы предшественников TMX и 2Х-IIB.
Конец истории? Нет. Буквально на наших глазах, в 2015 году, происходит удивительная тихая революция. Исследователи из института ядерной физики им. Будкера в Новосибирске, последовательно улучшавшие ловушку ГДЛ (кстати, надо заметить, что на западе первенствовали амбиполярные, а не газодинамические ловушки) внезапно достигают параметров плазмы, которые были предсказаны, как “невозможные” скептиками в 80х.

Еще раз ГДЛ. Зеленые цилиндры, торчащие в разные стороны - это инжекторы нейтралов, о которых речь ниже.

Три основные проблемы, похоронившие открытые ловушки - МГД устойчивость в осесимметричной конфигурации (потребовавшая магнитов сложной формы), неравновесность функции распределения ионов (микронеустойчивости), и низкая электронная температура. В 2015 году ГДЛ, при значении бета 0,6 достигла температуры электронов в 1 кЭв. Как это произошло?
Уход от осевой (цилиндрической) симметрии в 60х в попытках победить желобковые и другие МГД-неустойчивости плазмы привел кроме усложнения магнитных систем еще и к увеличению потерь тепла из плазмы в радиальном направлении. Группа ученых, работавших с ГДЛ использовала идею 80х годов по приложению радиального электрического поля, создающего завихренную плазму. Этот подход привел к блестящей победе - при бета 0,6 (напомню, что это отношение давления плазмы к давлению магнитного поля - весьма важный параметр в конструкции любого термоядерного реактор - т.к. скорость и плотность энерговыделения определяются давлением плазмы, а стоимость реактора определяется мощностью его магнитов), по сравнению с токамачной 0,05-0,1 плазма стабильна.

Новые измерительные приборы-«диагностики», позволяют лучше понимать физику плазмы в ГДЛ

Вторая проблема с микронеустойчивостями, вызванная недостатком ионов с низкими температурами (которые вытягиваются с концов ловушки амбиполярным потенциалом) была решена с помощью наклона инжекторов нейтральных лучей под углом. Такое расположение создает вдоль плазменной ловушки пики плотности ионов, которые задерживают “теплые” ионы от ухода. Относительно простое решение приводит к полному подавлению микронеустойчивостей и к значительному улучшению параметров удержания плазмы.

Поток нейтронов от термоядерного горения дейтерия в ловушке ГДЛ. Черные точки - измерения, линии - разннобразные расчетные значения для разного уровня микронестабильностей. Красная линия - микронестабильности подавлены.

Наконец, главный “могильщик” - низкая температура электронов. Хотя для ионов в ловушках достигнуты термоядерные параметры, высокая электронная температура является ключем к удержанию горячих ионов от остыванию, а значит к высоким значением Q. Причиной низкой температуры является высокая теплопроводность “вдоль” и амбиполярный потенциал, засасывающий “холодные” электроны из расширителей за концами ловушки внутрь магнитной системы. До 2014 года электронная температура в открытых ловушках не превышала 300 эВ, а в ГДЛ было получено психологически важное значение в 1 кЭв. Оно получено за счет тонкой работы с физикой взаимодействия электронов в концевых расширителях с нейтральным газом и поглотителями плазмы.
Это переворачивает ситуацию с ног на голову. Теперь уже простые ловушки снова угрожают первенству токамаков, достигших монструозных размеров и сложности (ГДМЛ-U ", объединяющего идеи и достижения ГДЛ и способ улучшения продольного удержания ГОЛ. Хотя под влиянием новых результатов образ ГДМЛ меняется, но она остается магистральной идеей в области открытых ловушек.

Где находятся текущие и будущие разработки по сравнению с конкурентами? Токамаки, как известно, достигли значения Q=1, решили множество инженерных проблем, перешлю к строительству ядерных, а не электрических установок и уверено движутся к уже скорее прообразу энергетического реактора с Q=10 и термоядерной мощностью до 700 МВт (ИТЭР). Стеллараторы, отстающие на пару шагов переходят от изучения принципиальной физики и решению инженерных проблем при Q=0.1, но пока не рискуют заходить на поле истинно ядерных установок с термоядерным горением трития. ГДМЛ-U могла бы быть похожа на стелларатор W-7X по параметрам плазмы (будучи, однако, импульсной установкой с длительностью разряда в несколько секунд против получасовой в перспективе работы W-7X), однако за счет простой геометрии ее стоимость может быть в несколько раз меньше немецкого стелларатора.

Оценка ИЯФ.

Есть варианты использования ГДМЛ в качестве установки для исследования взаимодействия плазмы и материалов (таких установок, впрочем, довольно много в мире) и в качестве термоядерного источника нейтронов для разных целей.

Экстраполяция размеров ГДМЛ в зависимости от нужного Q и возможных применений.

Если же завтра открытые ловушки вновь станут фаворитами в гонке к УТС, можно было бы рассчитывать, что за счет меньших капвложений в каждый этап, к 2050 году они догонят и перегонят токамаки, став сердцем первых термоядерных электростанций. Если только плазма не преподнесет новые неприятные сюрпризы…

Теги: Добавить метки