Изобретение ученых ИЯФ СО РАН улучшит работу термоядерных установок

Новую конструкцию ионно-оптической системы (ИОС) для поддержания стационарного режима работы инжекторов атомов, нагревающих плазму в термоядерных установках, разработали и запатентовали как изобретение специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 2 октября сообщает издание СО РАН «Наука в Сибири» со ссылкой на пресс-службу ИЯФ СО РАН.

Для исследований в области управляемого термоядерного синтеза используют несколько типов установок, задача которых удержать плазму магнитными полями. При этом температура плазмы составляет сотни миллионов градусов.

Нагреть ионизированный газ до такой температуры сложно, наибольшей эффективностью при этом обладают инжекторы мощных атомарных пучков, в разработке и производстве которых ИЯФ СО РАН стал одним из мировых лидеров.

Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Пётр Дейчули пояснил суть работы такого инжектора:

«Для осуществления термоядерной реакции необходимо нагреть водородную плазму до температуры в сотни миллионов градусов. Наиболее эффективным способом нагрева является инжекция пучков быстрых атомов, которые получаются методом ускорения первичных ионных пучков водорода до высоких энергий с последующим преобразованием их в атомы посредством нейтрализации».

Другие способы нагрева, в том числе высокочастотным излучением, сложны физически и технически, особенно для обеспечения самых высоких мощностей и температуры плазмы. Специалистами ИЯФ ранее была разработана и изготовлена целая серия атомарных инжекторов, которыми пользовались специалисты по плазме по всему миру.

«Иметь у себя на установке будкеровский инжектор в мировом плазменном сообществе считается хорошим тоном. Однако это были инжекторы для импульсных магнитных систем, в которых плазма удерживается в горячем состоянии одну-две секунды», — рассказал Пётр Дейчули.

В настоящее время физики, проводящие эксперименты по управляемому термоядерному синтезу, работая уже в стационарном режиме, добились того, что плазма остается в нагретом состоянии уже сотни и даже тысячи секунд — мировой рекорд поставлен на китайском токамаке EAST, где ученым удалось удержать плазму, нагретую до температуры в 70 млн градусов, в течение 1000 секунд.

«В связи с этим возникла потребность в разработке и создании усовершенствованных инжекторов мощных атомарных пучков, которые смогут работать в стационарном режиме. В первую очередь требовала изменений ИОС инжектора, в которой происходит самое важное — она вытягивает положительные ионы из плазмы, ускоряет их до нужной нам энергии и формирует пучок предельно малой расходимости», — рассказал Дейчули.

Поэтому специалистами ИЯФ СО РАН была разработана в рамках прикладных государственных заданий Минобрнауки по заказу Росатома новая конструкция ионно-оптической системы для создаваемого ими инжектора.

Влияние на факторы, определяющие надежность ионно-оптической системы, — качество формирования первичного ионного пучка и электрическая прочность, оказывают в значительной степени термодеформации электродов. Конструкция, которую разработали специалисты ИЯФ СО РАН для новой ИОС обладает рядом преимуществ, обеспечивающих ее надежность.

«Возможная длительность работы ионно-оптической системы определяет длительность работы инжектора в целом, — пояснил ведущий инженер-конструктор ИЯФ Владислав Амиров. — В первую очередь это зависит от того, как длительно электроды смогут сохранять свою геометрическую форму, потому что их нагрев и последующая деформация — самое страшное (губительное) для системы».

Нагрев электродов вызывается вторичными частицами, которые образуются при вытягивании, формировании и ускорении первичного ионного пучка. Для новых инжекторов конструкторы института разработали совершенно новую ионно-оптическую систему, в которой уровень деформаций электродов поддерживается на допустимом уровне за счет конструктивных решений.

«Во-первых, — поделился ведущий инженер-конструктор, — мы разбили эмиссионную площадь большого размера на сегменты, что само по себе дало снижение деформации. Во-вторых, каждый сегмент оснастили внутренними каналами охлаждения, в которых возможно поддержание необходимого уровня интенсивности теплообмена, и обеспечили подвод к ним требуемого расхода охлаждающей жидкости».

Кроме того, за счет конструктивных нововведений разработчики добились повышения точности юстирования системы, от которой зависит качество пучка.

Владислав Амиров добавил: «В процессе создания системы была использована разработанная нами методика программного моделирования. Ее эффективность подтверждена надежной работой ионно-оптических систем в инжекторах, использующихся в различных экспериментах. Методика позволяет моделировать поведение электродов в условиях реальных нагрузок, вносить нужные улучшения в конструкцию. Таким образом мы избегаем дорогостоящих и длительных циклов разработки типа „проектирование — изготовление — испытание“, существенно сокращая срок создания системы».