В ИЯФ СО РАН сумели увеличить плотность плазмы и замедлить ее истечение

Снижение потока истечения вещества плазмы в 10 раз и повышение ее плотности в 1,5 раза с помощью ловушки открытого типа со спиральным магнитным удержанием СМОЛА позволило ученым Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) улучшить параметры удержания плазмы, необходимые для управляемого термоядерного синтеза, 3 февраля сообщает пресс-служба института.

В научных исследованиях по управляемому термоядерному синтезу используются экспериментальные установки, основанные на различных системах магнитного удержания плазмы. Они обеспечивают необходимые для термоядерного синтеза параметры: температура, плотность и время удержания плазмы.

Такие магнитные ловушки могут быть как замкнутого (токамак), так и открытого типа. Одним из преимуществ открытых систем в том, что они позволяют добиться высокого параметра отношения давления плазмы к давлению магнитного поля (β).

ИЯФ СО РАН является мировым лидером в разработке и исследованиях магнитных ловушек открытого типа. Специалисты института смогли достичь параметра β, равного 0,6 и надеются достичь единицы. Добиться этого они надеются изменением геометрии магнитного поля ловушки.

Силовые линии магнитного поля в открытых ловушках, напоминающих бутылку с двумя горлышками, не замкнуты, как в токамаках, плазма в них удерживается только в середине установки, но может вытекать на ее концах. Для уменьшения истечения в «горлышках» открытых ловушек усиливают магнитное поле — ставят магнитные пробки.

Решая задачу подавления продольных потерь, ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Беклемишев разработал теорию, описывающую удержание плазмы при помощи магнитного поля с винтовой симметрией. Чтобы проверить эту теорию, в институте разработали и построили экспериментальную установку СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка).

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Судников пояснил принцип работы установки СМОЛА:

«СМОЛА отличается от остальных открытых ловушек тем, что на одном конце вместо обычной магнитной пробки мы установили пробку винтовую. Именно винтовое магнитное поле должно „затаскивать“ истекающую плазму обратно в центр ловушки».

Проведенные на установке эксперименты подтвердили правильность теории. Сильное винтовое магнитное поле позволило настолько снизить поток вытекающей плазмы, что он уже не регистрировался приборами.

Добиться этого эффекта ученым удалось за счет модификации в установке источника плазмы, а также точным подбором параметров, таких как конфигурация магнитного поля, подаваемое напряжение, давление и др.

Антон Судников рассказал, что «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. Зависимость проста: чем лучше удерживается плазма в ловушке, тем плотнее она становится, тем в целом эффективнее работает вся наша многопробочная система с винтовым удержанием».

Экспериментальное подтверждение теории позволило ученым дальше продвигаться в изучении управляемого термоядерного синтеза. При термоядерных параметрах плазмы эффективное удержание ее в многопробочной ловушке требует высокой частоты сталкивания и рассеивания ионов. Однако полезные термоядерные параметры этого не обеспечивают — ион рассеивается на других ионах слишком редко и способен пролететь ловушку насквозь, а винтовое поле не сможет затянуть его обратно.

«При термоядерных параметрах плотность плазмы умеренная (ненамного выше, чем у нас), а вот температура значительно выше, — пояснил Антон Судников. — В таких условиях ионы, которые должны рассеиваться достаточно часто, летят друг мимо друга слишком быстро и не успевают этого сделать. Длина свободного пробега, то есть расстояние, которое ион пролетает до того, чтобы рассеяться и потерять свое направление движения, становится намного больше — около 300 метров».

Ученые решили добиваться не того, чтобы оборот винта составил 300 метров, а найти возможность заставить ионы рассеиваться при термоядерных параметрах, когда плазма горячая и рассеяние частиц друг на друге слабое.

«В экспериментах мы поработали и с плазмой с низкой плотностью. Очень аккуратно, используя большое количество диагностик, мы измерили, каковы будут потери вещества при снижении его плотности. Результаты оказались лучше, чем в теории — винтовое удержание хорошо показало себя и в области низкой плотности», — рассказал ученый.

Когда винтовое поле не дает плазме вытечь, часть улетающих ионов захватывается вблизи выхода и затягивается магнитным полем обратно в центральную область плазмы, но другая часть вырывается из зоны удержания и летит к выходу. При этом разнонаправленные ионы летят мимо друг друга с достаточно большой скоростью, что приводит к появлению колебаний поля — 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», — объяснил Судников.

Произошел захват ионов, которые сгенерировали электрическое поле, и уже оно начало их рассеивать, обеспечивая удержание. Ученым удалось на установке добиться дополнительного рассеяния ионов без дополнительных внешних усилий. Ионы сами создают неустойчивость, которая, обеспечивая их хороший захват, повышает эффективность многопробочного удержания.

Ученые ИЯФ СО РАН намерены создать установку для удержания термоядерной плазмы ГДМЛ (Газодинамическая магнитная ловушка). ГДМЛ должен продемонстрировать возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа.

Они надеются, что проверенные на установке СМОЛА «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», — добавил ученый.