Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) улучшили удержание плазмы в установке СМОЛА (спиральная магнитная открытая ловушка). Открытая ловушка представляет собой линейную конструкцию, внутри которой плазма удерживается магнитным полем. В таких установках силовые линии магнитного поля не замкнуты, а вдоль линий плазма может вытекать.
Сократить продольные потери частиц в пять раз помогла комбинация из разных типов магнитных пробок. Короткие пробки - это области с сильным однородным полем, а в многопробочной секции при этом создается винтовое магнитное поле. Принцип работы винтового поля заключается в том, что оно «перенаправляет» плазму от краев к центру установки, а комбинация пробок не допускает ее «вытекания» в больших количествах. Исследования показали, что вместе пробки удерживают плазму более эффективно, чем по отдельности. В результате совмещения пробочных систем плотность удерживаемой плазмы выросла в три раза.
В экспериментах по термоядерному синтезу необходимо поддерживать определенные характеристики плазмы, такие как плотность и температура. Один из видов установок, при помощи которых можно исследовать физику плазмы, — открытые ловушки. Они имеют относительно простую линейную геометрию, плазма находится в середине установки и удерживается с помощью магнитного поля. В открытых ловушках создается поле, силовые линии которого замыкаются уже за пределами плазмы. Она движется вдоль этих линий, и при этом может вытекать по краям. Из-за этой особенности ловушки называют открытыми.
Потери плазмы приводят к снижению ее характеристик, потерям частиц, энергии и температуры. Один из способов получить плазму с нужными параметрами, но с меньшими затратами энергии заключается в уменьшении ее истекания через «незакрытые» края. Физики ИЯФ СО РАН разработали и протестировали систему, которая эффективно удерживает плазму на установке СМОЛА с помощью магнитного поля, которое создается несколькими пробочными системами. Они разработали комбинацию из простых коротких пробок, которые образуют по краям установки сильные магнитные поля, и многопробочной секции с винтовой симметрией, которая создает винтовое поле по всей длине установки и направляет плазму от краев к центру. Таким образом продольные потери частиц плазмы через «незакрытые» области уменьшились в пять раз.
«СМОЛА — это маленький стенд для проверки идей удержания плазмы. Винтовое удержание как таковое — это подвид многопробочного удержания, его мы рассматриваем как способ подавления продольных потерь в открытой ловушке. Наши решения потом можно будет применить на большой установке, где уже будут серьезные параметры, например, на ГДМЛ, то есть на газодинамической многопробочной ловушке», — говорит старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН и кандидат физико-математических наук Антон Судников.
Когда возникла идея создать многопробочное удержание, нельзя было сделать точных прогнозов, будет ли комбинация пробок удерживать плазму эффективнее. Чтобы проверить этот способ, открытую ловушку СМОЛА модифицировали, добавив к винтовой обмотке еще одну короткую пробку, по которой в противоположные стороны запускают две «линии тока». Двигаясь по этой траектории, ток создает винтовое магнитное поле.
«Мы проверили, как будет себя вести многопробочная винтовая секция, если к ней добавить области с более сильным магнитным полем. Получилось, что каждая из систем для улучшения удержания подавляет поток плазмы, друг другу они не мешают и суммарно дают эффективность, которая выше каждой отдельной. Это позволяет нам одновременно использовать несколько методов удержания и получать от этого выгоду. Получилось, что в некоторых вариантах эти отдельные методы можно совмещать, выставлять друг за другом, как кубики конструктора. И на каждом из этих кубиков получать свой вклад в качество удержания, — говорит Антон Судников, — в экспериментах этого года мы получили возрастание плотности в области удержания примерно в три раза при одинаковых прочих параметрах. Теперь комбинация пробок на входе и в винтовой секции значительно подавляет вытекание, а возрастание плотности ограничивается уже не потерями в сторону винтовой пробки, а истечением через входную. У нас получилось эффективное пробочное отношение, равное 32. Если представить, что мы заменяем всю комбинацию одной короткой пробкой, то ее пробочное отношение должно быть 32, тогда она дала бы такое же подавление потока, как выдала у нас такая же пробка, но с меньшим пробочным отношением (равным всего лишь 6), комбинированная с винтовой секцией. Даже если мы усилим простое магнитное поле в 30 раз (что на данный момент технически недостижимо на этой установке), то его пробочное отношение будет меньше, чем наше суммарное».
Открытые ловушки на сегодняшний день являются альтернативным путем развития термоядерного синтеза, другой путь — токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками). Но из-за строения открытых ловушек их легче модифицировать и масштабировать.
«Конструкция открытых ловушек идейно проще. Это не набор вложенных друг в друга систем, где каждый элемент находится на каком-то краю технической возможности, это линейная система, что заметно снижает требования. Для токамаков следующие шаги для повышения эффективности — это очередное повышение его размеров, что делает конструкцию еще более сложной. Чтобы в далеком будущем открытая ловушка могла перейти на такие продвинутые виды топлива, как дейтерий-дейтерий, она тоже должна увеличиваться. Но открытая ловушка все равно будет собрана из элементов разумного размера. Она оказывается более простым концептуальным и техническим решением», — объясняет Антон Судников.
В дальнейшем физики планируют получить в открытой ловушке плазму, похожую с точки зрения «столкновительности» на плазму в ГДМЛ (газодинамическая многопробочная ловушка), то есть целью является такая плазма, в которой ионы сильно разогреты и сталкиваются достаточно редко за счет высокой температуры. Эти параметры интересны для будущих экспериментов. На СМОЛе будет установлен источник переменной ВЧ-волны, который может нагревать ионы в плазме отдельно от электронов в ней же. Ожидаемая температура ионов в таком случае достигает 500 тысяч градусов по Цельсию, или 50 электронвольт. На данный момент ионная составляющая плазмы на установке СМОЛА имеет температуру около 70 тысяч градусов (а электроны — 30 тысяч градусов).
«Ионы будут сталкиваться с точки зрения физики так же редко, как они бы сталкивались в ГДМЛ», — поясняет Антон Судников. «Дальше нам интересно перейти к новым конфигурациям, которые больше похожи на полноценную ловушку, на ГДМЛ, но в уменьшенном виде. “Больше похоже на ГДМЛ” означает, что у нас должна быть не одна такая винтовая пробка с одной стороны, а две винтовые с обеих сторон, возможно скомбинированные с двумя сильными пробками. А высокие температуры ионов и их редкое столкновение в плазме позволит исследовать те процессы, которые должны происходить в винтовой пробке, если у нас очень горячая плазма. С точки зрения теории плазмы этот принцип можно будет масштабировать на большую установку».
Благодаря своим характеристикам открытые ловушки стали возможностью испытать многие интересные идеи, которые могут пригодиться для постройки будущих установок. Например, открытые ловушки нужны как стенды для разработки инжекторов — ускорителей частиц, без которых не обходится ни одно термоядерное исследование. Как говорит Антон Судников: «Наш интерес на ближайшие шаги и на дальнюю перспективу — стационарные открытые ловушки с горячей плазмой». По аналогии с ГДМЛ, в плазме которой испытывают пучки нейтральных частиц для токамаков, в открытых ловушках будущего тоже планируются подобные тесты. На сегодняшний день физики считают создание стационарной ловушки реализуемой задачей из-за возможностей ее масштабирования.
