Научная группа Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) впервые показала, что скорость откачки нейтрального газа в вакуумной системе открытой магнитной ловушки может быть уменьшена без роста потерь по сравнению с первоначальной оценкой почти в 100 раз. Результаты эксперимента не только изменят теоретические представления о влиянии нейтрального газа на плазму, но и в будущем помогут упростить и удешевить конструкцию проекта ИЯФ СО РАН класса мегасайенс Газодинамическая многопробочная ловушка (ГДМЛ). Это Инфраструктурный комплекс разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы.Результаты опубликованы в журнале Plasma and Fusion Research.
Главной задачей исследований ИЯФ СО РАН по удержанию плазмы является физическое обоснование термоядерного реактора на основе магнитной ловушки открытого типа, способного работать с топливами, не содержащими радиоактивный тритий. Один из этапов достижения этой цели – создание в ИЯФ СО РАН Инфраструктурного комплекса разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы – ГДМЛ. В проект ГДМЛ будет интегрирован весь объем передовых знаний и технологий в области открытых магнитных систем удержания плазмы, накопленных в Институте и мире.
Для достижения параметров проекта ГДМЛ, в частности, необходимо поддерживать в расширителе магнитной ловушки вакуум с параметрами, гарантирующими ее стабильную и надежную работу.
«Нейтральный газ, неизбежно нарабатывающийся в вакуумной системе, увеличивает потери энергии плазмы и снижает ее температуру, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Елена Солдаткина. – Поэтому вопрос его откачки важен для любого типа открытой магнитной ловушки. Чтобы избавиться от нейтрального газа, необходимо откачивать его из установки со скоростью миллионы литров в секунду, а это серьезно усложняет проект и повышает его стоимость».
На графике показано, что главные параметры плазмы в ГДЛ не меняются вплоть до плотностей, в сто раз превышающих оценочные.
Иллюстрация предоставлена Е.Солдаткиной.
В недавних экспериментах на установке ГДЛ (Газодинамическая ловушка) специалисты ИЯФ СО РАН впервые показали, что существующие теоретические расчеты не точны – нейтральный газ в вакуумной системе оказывает меньшее влияние на температуру плазмы, чем предсказывалось, и скорость его откачки может быть уменьшена по сравнению с первоначальной оценкой почти в сто раз.
«Процессы взаимодействия горячей плазмы и холодного газа оказались не так просты, как их описывает теория. Наши эксперименты показали, что плазма при столкновении с нейтральным газом не теряет свои параметры, а пытается «сама за себя постоять», – добавляет Елена Солдаткина. – Она выталкивает газ из горячего центра наружу (к стенкам торцевого бака), то есть берет часть работы по откачке на себя. Так что совсем необязательно откачивать нейтральный газ с такой невероятной скоростью (миллионы литров в секунду), достаточно ста литров в секунду. В будущем это поможет упростить конструкцию ГДМЛ и снизить стоимость всего проекта».
На данный момент в ИЯФ СО РАН разрабатывается собственная, более полная, теория взаимодействия плазмы с нейтральным газом.
«Предварительные эксперименты на установке ГДЛ показали, что нейтральный газ не проникает в плазму, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Беклемишев. – Чтобы разобраться в причинах, почему этого не происходит, необходимо построить теоретическую модель. Гипотеза, которую мы развиваем, заключается в следующем: нейтральный газ, находящийся в объеме расширителя, при нагреве плазмой и постоянном давлении оттесняется к стенкам, и, таким образом, в плазме его остается довольно мало. Гипотеза простая, но соответствующая ей математическая модель при требуемых параметрах сложна и плохо поддается компьютерным расчетам. На данный момент мы построили самую простую модель, в которой газ представлен в виде твердых шариков, которые сталкиваются с плазмой. Результаты качественно согласуются с тем, что наблюдается в эксперименте, то есть наша модель показывает, что газ действительно вытесняется к стенкам».
По словам Алексея Беклемишева, сейчас в Институте развивается более сложная теория, описывающая кинетику взаимодействия молекул газа между собой снаружи от плазмы. Задача физиков – создать полную теоретическую модель, которая будет учитывать весь диапазон необходимых параметров.
Исследовательские работы проводятся при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых».