В 2020 г. в России была утверждена комплексная программа «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования энергии в РФ на период до 2024 года». Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) принимает в ней активное участие, так как одно из научных направлений института связано с разработкой технологий управляемого термоядерного синтеза (УТС) и инновационных плазменных технологий. Установки термоядерного синтеза могут быть основаны на различных типах замкнутых и открытых магнитных ловушек – токамаках, стеллараторах, пробкотронах и др. Мировым лидером в разработке и исследованиях магнитных ловушек открытого типа является ИЯФ СО РАН. В инфраструктуру института входят четыре экспериментальные установки, на каждой из которых исследуют физику удержания и нагрева термоядерной плазмы. Недавние эксперименты ученых на установке СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка) подтвердили теоретические предсказания эффективного удержания плазмы в открытых ловушках с винтовым магнитным полем. Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Судников рассказал о том, как проводились эксперименты и каких результатов удалось достичь.
- Антон, в конце 2022 г. у вас вышло две статьи в Journal of Plasma Physics, одна даже попала на обложку журнала. Какова тематика ваших экспериментов и какие результаты удалось получить?
- Область наших интересов – физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. По данной тематике в ИЯФ СО РАН проводятся исследования на экспериментальных установках с магнитными системами удержания открытого типа. Всего их четыре: КОТ (Компактный осесимметричный тороид), ГДЛ (Газодинамическая ловушка), ГОЛ-NB (ГОЛ-Neutral Beams) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка). Мы работаем на СМОЛЕ.
- Зачем нужны магнитные ловушки и как они устроены?
- Всё для энергетики следующего века. К энергии управляемого термоядерного синтеза пытались подступиться ещё с середины века прошлого. Задача оказалась намного сложнее, чем казалось вначале, но и физику термоядерных установок мы сегодня знаем гораздо детальнее. Магнитные ловушки необходимы для осуществления стационарной термоядерной реакции – они обеспечивают термоизоляцию плазмы, нагретой до 100 млн °C. Их принято делить на два больших класса: замкнутые и открытые. В замкнутых ловушках силовые линии магнитного поля не пересекают границ плазмы, а область удержания имеет форму тора (бублика с током). В открытых ловушках область удержания плазмы ограничена в направлении силовых линий и обычно выглядит как длинный отрезок цилиндра с перетяжками на концах (бутылка с двумя горлышками). Такие системы удержания обладают рядом преимуществ, например, они более просты с инженерной точки зрения, в них возможно достижение высокого значения параметра β (бета), который определяет отношение давления плазмы к давлению магнитного поля. Его увеличение до единицы позволит многократно повысить выход термоядерной реакции. Наши коллеги уже смогли достичь параметра β, равного 0,6 и теперь стремятся добраться до единицы.
При этом один из минусов открытых систем – большая потеря вещества вдоль силовых линий – долгое время делал их непривлекательными для научного сообщества.
- Почему вообще существует проблема истечения плазмы из открытых ловушек?
- Силовые линии магнитного поля в открытых ловушках не замкнуты, как, например, в токамаках (замкнутые магнитные системы), поэтому плазма в них удерживается только в середине, а на концах установки может вытекать. Чтобы снизить истечение, в «горлышках» открытых ловушек ставят магнитные пробки, то есть в нужных местах усиливают магнитное поле.
Ион всегда летит под каким-то углом к магнитному полю, которое его закручивает и заставляет двигаться по спирали с небольшим радиусом. Когда ион приближается к области более сильного магнитного поля (к магнитной пробке), его продольная скорость уменьшается, а поперечная увеличивается. Чем больше магнитное поле, тем круче относительно магнитного поля будет повернут ион. Соответственно, если у иона есть какое-то исходное направление по отношению к магнитному полю, значит, есть такое магнитное поле, при котором ион потеряет всю свою продольную скорость, отразится от него и полетит обратно. По такому принципу работают классические открытые ловушки с магнитными пробками.
СМОЛА отличается от остальных открытых ловушек тем, что в ней реализована концепция винтового магнитного удержания. Представьте себе шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. Теперь вообразите два шнека с двух сторон от центральной ловушки с плазмой, один – с правым и один – с левым винтом. С одной стороны магнитное поле тащит плазму влево, с другой – вправо. Теория, которую предложил ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Беклемишев, предсказывает, что таким образом обе эти концевые секции будут закачивать плазму обратно и поток истекающего вещества станет очень редким. Наша установка похожа на половину такой ловушки: винтовая пробка установлена только с одной стороны ловушки с плазмой. С 2018 г. мы работаем над экспериментальным подтверждением этой теоретической концепции.
Плазма в ловушке ИЯФ СО РАН- Удалось подтвердить теорию?
- Да. Мы подтвердили теорию удержания плазмы в открытых магнитных ловушках с винтовым полем. Без винтового поля из установки вытекало около 2·1020 ионов в секунду, а при его включении стало вытекать в десять раз меньше. Поток стал таким маленьким, что мы уже не могли его четко зарегистрировать.
Но самый важный результат наших экспериментов, благодаря которому наша статья попала на обложку журнала, в том, что при добавлении винтового поля плотность плазмы вырастает в 1,5 раза. Представьте бассейн, к которому присоединены кран и две трубы. Вначале вода вытекает через обе. Одну трубу мы заткнули так хорошо, что через неё больше ничего не выходит. Уровень воды будет подниматься, пока через вторую не станет вытекать столько, сколько наливает кран. Точно так же в наших экспериментах – только вместо уровня воды плотность плазмы, и она выросла в полтора раза.
Зависимость проста: чем лучше удерживается плазма в ловушке, тем плотнее она становится, тем в целом эффективнее работает вся наша многопробочная система с винтовым удержанием. Но все это нужно было экспериментально доказать.
- Какие еще интересные результаты удалось получить?
- Нам удалось просканировать широкий диапазон плотностей плазмы – от самых высоких до самых низких – и проверить, как в этом диапазоне работает не только режим «закачивания», когда мы перемещаем плазму в область удержания, но и режим «откачивания», когда мы тянем ее к выходу. Мы пронаблюдали интересный эффект: оказывается, винтовое поле в режиме закачивания работает хорошо с плазмой любой плотности, а вот режим откачивания эффективен только при определенной плотности плазмы (не высокой и не низкой).
- А зачем вообще нужен режим откачивания, если плазму надо удерживать?
- В случае, если мы будем использовать винтовое магнитное поле при проектировании экспериментального термоядерного реактора, то в установке будет не одна винтовая магнитная пробка, а две. С помощью второго винта мы сможем «закидывать» дополнительное вещество в ловушку и тем самым обеспечим постоянное количество ионов в области удержания. Проще говоря, мы сможем организовать в нашем бассейне трубу, через которую будет подаваться плазма.
- Цель всех исследований в области управляемого термоядерного синтеза – добиться нужных параметров температуры, плотности и времени удержания плазмы. Технологически это очень сложно, и ученые из кожи вон лезут, чтобы приручить плазму. Бывают ли случаи, когда какой-то нужный эффект происходит сам собой, как подарок судьбы?
- Что-то похожее случилось у нас в эксперименте. При термоядерных параметрах плазмы для ее эффективного удержания в многопробочной ловушке необходимо, чтобы ионы сталкивались и рассеивались достаточно часто. Но при полезных термоядерных параметрах, когда плотность плазмы умеренная, а температура очень высокая, ионы летят друг мимо друга слишком быстро и не успевают этого сделать. Длина свободного пробега, то есть расстояние, которое ион пролетает до того, как рассеяться и потерять свое направление движения, растягивается на 300 метров. Делать винт с оборотом в 300 метров – задача из области атомпанка. Лучше попробовать создать такие условия, при которых ионы все же будут рассеиваться. Когда винтовое поле не дает плазме вытечь, часть улетающих ионов захватывается вблизи выхода и затягивается магнитным полем обратно в центральную область плазмы, а другая часть все-таки вырывается из зоны удержания и летит к выходу. Когда разнонаправленные ионы летят мимо друг друга с достаточно большой скоростью, начинают появляться колебания поля, так называемые неустойчивости.
Колебания электрических потенциалов в плазме забирают в себя энергию от движения ионов и перекачивают ее в энергию электрического поля. Переменное электрическое поле начинает ускорять ионы в том или ином направлении, то есть, колебания электрического поля сами начинают рассеивать ионы – что нам как раз и нужно. Получилось, что мы захватили ионы, они сами по себе сгенерировали электрическое поле, которое начало их рассеивать, обеспечивая их удержание. Стоит отметить, что в экспериментах на установке ГОЛ-3 такие неустойчивости в свое время тоже возникали, но происходило это благодаря инжекции электронного пучка с мощностью 30 гигаватт. Мы же добились эффекта дополнительного рассеяния ионов без внешних усилий. Ионы сами раскачивают неустойчивость, которая в дальнейшем обеспечивает хороший их захват, соответственно повышается эффективность многопробочного удержания.
Магнитная ловушка с винтовым удержанием СМОЛА ИЯФ СО РАН- То есть в плазме бывают полезные неустойчивости, а бывают такие, с которым нужно бороться?
- Любая неустойчивость – следствие того, что плазма стремится перейти из состояния, в котором она находится, в более равновесное. Налейте воду поверх масла – они будут стремиться поменяться местами, и потенциальная энергия перейдёт в энергию движения жидкости. Подуйте во флейту –поток воздуха отдаст часть энергии звуку. Всё зависит от того, нужна ли нам такая равновесность. Если мы хотим получить симметричную неподвижную плазму, а равновесное состояние – изогнутый и колеблющийся шланг, то с этой неустойчивостью точно нужно бороться. Если же энергия движения частиц переходит в энергию колебаний электрического поля, ситуация может быть разной. В каких-то условиях это может разрушить саму плазму, в каких-то – не повлиять на неё; в каких-то (посмотрите на пучок электронов в источнике СВЧ-волн) – нам полезен именно результат неустойчивости. Неустойчивости, рассеивающие ионы в многопробочной ловушке, нам полезны –значит, нужно их изучить и использовать.
- ИЯФ СО РАН является участником международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в основе которого лежит замкнутая магнитная ловушка токамак. Но при этом институт остается лидером в развитии открытых магнитных систем – ведутся эксперименты на четырех открытых ловушках. Каков следующий крупный шаг ИЯФ СО РАН в направлении УТС, и какой вклад в него внесут результаты, полученные на СМОЛЕ?
- Наш следующий шаг – создание установки для удержания термоядерной плазмы ГДМЛ (Газодинамическая многопробочная ловушка). Планируется, что ГДМЛ продемонстрирует возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа. Буква «М» в ГДМЛ означает, что ловушка будет многопробочной. В базовом варианте – это просто магнитное поле с «перетяжками» из магнитных пробок. Но если применить в этом проекте все новые достижения, то можно на концах ГДМЛ добавить по винтовой пробке, как на СМОЛЕ. Результаты наших экспериментов позволяют надеяться, что винтовые секции сделают ГДМЛ более эффективной. Размер и сложность установки останутся теми же, но мы повысим плотность и улучшим качество удержания и, соответственно, окажемся ближе к тем термоядерным параметрам, которые нам нужны.