Създаване на термоядрена система на базата на отворен капан. Тих термоядрен преврат
Учени от Института по ядрена физика (INP) постигнаха стабилно нагряване на плазмата до 10 милиона градуса по Целзий, съобщи NSN ИНП заместник-директор по научна работаАлександър Иванов. Ученият обясни какви перспективи открива тази разработка и защо тя по принцип елиминира създаването на радиоактивни отпадъци.
- BINP започна да разглежда варианти за създаване на термоядрена система на базата на отворен капан. Какво означава това?
Ако говорим за нагряване на плазмата с 10 милиона градуса, трябва да помним, че тази температура е по-висока, отколкото в центъра на Слънцето. Естествено, такава гореща плазма не може да се съдържа в някакъв съд с материални стени - дори и да са много дебели, те пак ще горят. За да се избегне това, тоест да се задържи гореща плазма, има поне два начина.
Първият е, когато плазмата е поставена в силно тороидално магнитно поле, което променя траекторията на плазмените частици, след което те започват да се движат в кръгове, навити около силовите линии магнитно поле. В този случай плазмата не се движи през магнитното поле и не създава топлинен поток. Този принцип е в основата на инсталациите токамак, които имат формата на "поничка" с магнитно поле вътре, предложени у нас за магнитно задържане на плазма за контролиран термоядрен синтез. В надпреварата на идеи как да създадем Слънцето на Земята, тези инсталации вече са водещи.
Има друга система. Казано по-просто, това е дълга отворена уловителна тръба с надлъжно магнитно поле, където плазмата се предпазва от контакт със стената, но се разпространява относително свободно по протежение и удря крайните стени. В тези капани сме се научили да правим така, че загубата на топлина по дължината на магнитното поле да е значително намалена в сравнение със свободното разширяване на плазмата.
- Колко сме далеч от създаването на термоядрен реактор?
Има реактори, чийто принцип на работа е базиран на токамаци, други на отворени капани, а има и например импулсни системи, когато капка тритиево-деутериево гориво се запалва с лазер и то изгаря за милионни от секундата, осигуряване на енергия.
Що се отнася до токамаците, след 10 години във Франция ще бъде пуснат големият реактор ITER - циклопска конструкция с голяма сложност, където ще се демонстрира термоядрено плазмено изгаряне. Освен това температурата там е приблизително 10 пъти по-висока от тази на този моментсега можем да стигнем до отворени капани.
Но въпреки това при температура от 10 милиона градуса могат да се направят много полезни неща - по-специално много мощен източник на неутрони, който е необходим например за тестване на материали за бъдещ термоядрен реактор. (Тоест, стените на токамаците по време на тестване ще бъдат изложени на много мощен поток от неутрони и по този начин учените ще могат напълно да симулират ситуацията.) Източниците на неутрони могат да се използват и като двигатели за подкритични реактори на делене - те се вмъкват вътре в системата на ядрен реактор, работещ при коефициент на усилване е по-малък от единица. Това значително повишава безопасността на подкритичната система, което принципно елиминира възможността за аварии от типа на Чернобил.
- С какъв пробив е „заредено“ вашето постижение?
Сега ние, руските ядрени специалисти, достигнахме ниво, на което можем да започнем да проектираме прототипи на такива мощни неутронни източници. Ако погледнем в по-дългосрочен план, не виждам ограничения да не повишаваме температурата на нагряване на плазмата не до 10 милиона, а да речем до 300 милиона градуса.
Изхождайки от тази предпоставка, ние в ИНПФ разглеждаме възможностите за създаване на следващо поколение капани, чиито параметри ще бъдат значително увеличени. И ние сериозно ще помислим за създаването на алтернативен реактор ITER. Ако всичко това се получи, нашият термоядрен реактор, базиран на отворен капан, може дори да бъде много по-привлекателен от търговска гледна точка от този, базиран на токамаци, и структурата, която се създава във Франция, не може да се конкурира с него по отношение на техническа простота.
Сега сме достигнали ниво, на което можем да започнем да проектираме прототипи на такива мощни източници на неутрони. Ако погледнем в по-дългосрочен план, не виждам ограничения да не повишаваме температурата на нагряване на плазмата не до 10 милиона, а да речем до 300 милиона градуса.
Изхождайки от тази предпоставка, ние в ИНПФ разглеждаме възможностите за създаване на следващо поколение капани, чиито параметри ще бъдат значително увеличени. И ще помислим сериозно за създаването на алтернативен реактор. Ако всичко работи, термоядреният реактор, базиран на отворен капан, може дори да бъде по-привлекателен от търговска гледна точка от този, базиран на токамаци.
- Реактори, базирани на отворен уловител... с какво друго са за предпочитане пред токамаците?
Надяваме се, че с известно развитие ще бъде възможна появата на реактори, базирани на отворени уловители, върху които работим в момента. Те имат определени предимства в сравнение с токамаците. Не на последно място имам предвид възможността за работа с термоядрено гориво, което или изобщо не произвежда неутрони, или произвежда много малко от тях, което не е изпълнено с проблема с дългосрочното съхранение и погребване на радиоактивни отпадъци.
Имайте предвид, че Институтът по ядрена физика вече обяви планове за разработване на алтернативен реактор ITER. Институтът планира да финализира технико-икономическата основа за проекта за прототип на алтернативен реактор с кодовото име GDML (Gas Dynamic Trap).
9 август 2016 г. от 10.40 чпресата с ключови участници на 11-ти международна конференциявърху отворени магнитни системи за задържане на плазма. Те ще говорят за последните резултати на водещите научни центровесе занимава с изследвания в тази област. Например учени от Института по ядрена физика SB RAS са разработили обещаващ метод за генериране на плазма с помощта на високомощно микровълново лъчение в широкомащабен магнитен капан с отворен тип (GDT). Този метод позволи успешни експерименти за подобряване на задържането на плазмата с параметри в термоядрения диапазон. Освен това в инсталацията на Института по ядрена физика SB RAS беше изследвано разпръскването на пръски от течен волфрам в термоядрени реактори на бъдещето.
Участници в пресата:
1. Александър Александрович ИВАНОВ, доктор на физико-математическите науки, заместник-директор на Института по ядрена физика SB RAS по научната работа.
2. Александър Генадиевич ШАЛАШОВ, доктор на физико-математическите науки, ръководител на сектора по микровълнови методи за нагряване на плазма в Института по приложна физика на Руската академия на науките (Нижни Новгород).
3.Йосуке НАКАШИМА , професор, Център за изследване на плазмата, Университет на Цукуба, Япония. (Проф. Накашима Юсуке, Център за изследване на плазмата, Университет на Цукуба, Япония)
4. Техюп О, професор, Национален институт термоядрени изследвания, Даеджон, Корея. (проф. Lho Taihyeop, Национален институт за изследване на синтеза, Daejeong, Корея).
Конференцията се провежда на всеки две години, последователно в обектите на научни центрове в Русия (Новосибирск, BINP SB RAS), Япония и Корея. Основните области, които ще бъдат представени са физика на задържането на плазмата в отворени капани, системи за нагряване на отворени капани, плазмена диагностика, взаимодействие на плазма с повърхност.
Има няколко варианта, на базата на които в бъдеще ще може да се изгради термоядрен реактор – токамак, стеларатор, отворени капани, конфигурация с обърнато поле и други. В днешно време токамаците са най-развитата област, но алтернативните системи също имат редица предимства: те са технически по-прости и могат да бъдат икономически по-привлекателни като реактор. Може би в бъдеще токамакът ще бъде заменен или ще започне да съществува съвместно с други видове капани. BINP SB RAS работи по алтернативно направление - отворени капани за задържане на плазма.
Преди това се смяташе, че този тип инсталация може да се разглежда по-скоро като инструмент за изследване на фундаменталните свойства на плазмата, както и като стенд за поддържане на експерименти за първия експериментален термоядрен реактор ITER.
Въпреки това, последните резултати - нагряване на плазмата до температура от 10 милиона градуса в отворен GDL капан (BINP SB RAS, Русия) и демонстриране на квазистационарното състояние на плазмата в инсталацията S-2 (Tri Alpha Energy, САЩ) - са показали, че в алтернативни системиВъзможно е да се постигнат много по-високи параметри на плазмата, отколкото се смяташе досега.
Най-големите отворени капани работят в Русия, Япония, Китай, Южна Кореаи САЩ.
Контакти за акредитация:
Алла Сковородина,
специалист по връзки с обществеността, BINP SB RAS,
р.т.+7 383 329-47-55, м.т.+7 913 9354687, e-mail:
Кратка информация за видовете модели термоядрени реактори
Токамак(съкратено от „тороидална магнитна камера“), затворен магнитен капан, оформен като тор и предназначен да създава и съдържа високотемпературна плазма. Токамак е проектиран и създаден, за да реши проблема с контролирания термоядрен синтез и да създаде термоядрен реактор.
Отворени капани- вид магнитен капан за задържане на термоядрена плазма в определен обем пространство, ограничено по посока на магнитното поле. За разлика от затворените капани (токамаци, стеларатори), които имат формата на тороид, отворените капани се характеризират с линейна геометрия, като линиите на магнитното поле пресичат крайните повърхности на плазмата. Отворените капани имат редица потенциални предимства пред затворените капани. Те са по-прости от гледна точка на инженерството, те използват енергията на магнитното поле, ограничаващо плазмата, по-ефективно, проблемът с отстраняването на тежки примеси и продукти от термоядрена реакция от плазмата е по-лесен за решаване и много видове отворени капани могат да работят в стационарни режим. Въпреки това, възможността за реализиране на тези предимства в термоядрен реактор, базиран на отворени уловители, изисква експериментални доказателства.
По материали от Д. Д. Рютов, Открити капани, УФН 1988, том 154, стр. 565.
Вероятно няма сфера на човешка дейност, толкова пълна с разочарования и отхвърлени герои, колкото опитите за творчество термоядрена енергия. Стотици концепции за реактори, десетки екипи, които неизменно се превръщаха в любимци на обществения и държавния бюджет, и накрая сякаш имаше победител в лицето на токамаците. И ето отново – постиженията на учените от Новосибирск възраждат интереса по света към концепция, която беше жестоко потъпкана през 80-те години. А сега повече подробности.
Отворен капан на GDL, който даде впечатляващи резултати
Сред разнообразието от предложения за извличане на енергия от термоядрен синтез, те са най-ориентирани към стационарното задържане на относително свободна термоядрена плазма. Оттук идва например проектът ITER и по-широко – тороидалните капани и стелараторите на токамак. Те са тороидални, защото най-простата формазатворен съд, направен от магнитни полета (поради теоремата за разресването на таралеж няма да е възможно да се направи сферичен съд). Въпреки това, в зората на изследванията в областта на контролирания термоядрен синтез, фаворитите не бяха капани със сложна триизмерна геометрия, а опити за задържане на плазма в така наречените отворени капани. Обикновено това също са цилиндрични магнитни съдове, в които плазмата се задържа добре в радиална посока и изтича от двата края. Идеята на изобретателите тук е проста - ако нагряването на нова плазма чрез термоядрена реакция протича по-бързо от консумацията на топлина, изтичаща от краищата - тогава Бог да го благослови, с отвореността на нашия съд ще се генерира енергия , но изтичането все още ще се появи във вакуумния съд и горивото ще се разхожда в реактора, докато изгори.
Идеята за отворен капан е магнитен цилиндър с тапи/огледала в краищата и разширители зад тях.
Освен това във всички отворени капани се използва един или друг метод за спиране на излизането на плазмата през краищата - и най-простият тук е рязкото увеличаване на магнитното поле в краищата (инсталиране на магнитни "тапи" в руската терминология или "огледала" ” в западната терминология), докато входящите заредени частици всъщност ще изскочат от огледалните тапи и само малка част от плазмата ще премине през тях и ще влезе в специални разширители.
И малко по-малко схематично изображение на днешната героиня - добавена е вакуумна камера, в която лети плазма, и всякакъв вид оборудване.
Първият експеримент с „огледален“ или „отворен“ капан, Q-краставицата, е извършен през 1955 г. в американската национална лаборатория „Лорънс Ливърмор“. В продължение на много години тази лаборатория се превърна в лидер в разработването на концепцията за CTS, базирана на отворени капани (OT).
Първият в света експеримент - отворен капан с магнитни огледала Q-краставица
В сравнение със затворените конкуренти, предимствата на OL включват много по-опростената геометрия на реактора и неговата магнитна система и следователно неговата ниска цена. Така след падането на първия фаворит на CTS - Z-pinch реакторите, отворените капани получиха максимален приоритет и финансиране в началото на 60-те години, тъй като обещаваха бързо решение за малко пари.
Началото на 60-те, капан за маса
Същият Z-pinch обаче неслучайно се пенсионира. Неговото погребение беше свързано с проява на природата на плазмата - нестабилности, които разрушаваха плазмените образувания при опит за компресиране на плазмата с магнитно поле. И точно тази особеност, слабо проучена преди 50 години, веднага започна да дразни експериментаторите с отворени капани. Нестабилностите на флейтите ни принуждават да усложняваме магнитната система, като в допълнение към простите кръгли соленоиди въвеждаме „стикове на Йофе“, „бейзболни капани“ и „ин-ян бобини“ и намаляваме съотношението на налягането на магнитното поле към плазменото налягане (параметър β) .
„Бейзболен“ свръхпроводящ магнитен капан Бейзбол II, средата на 70-те
В допълнение, изтичането на плазма се случва по различен начин за частици с различни енергии, което води до неравновесие на плазмата (т.е. немаксуелов спектър от скорости на частиците), което причинява редица други неприятни нестабилности. Тези нестабилности, от своя страна, „клатейки” плазмата, ускоряват излизането й през крайните огледални клетки.В края на 60-те години прости опцииотворените капани достигнаха границата на температурата и плътността на затворената плазма и тези цифри бяха много порядъци по-ниски от тези, необходими за термоядрена реакция. Проблемът беше главно бързото надлъжно охлаждане на електроните, което след това доведе до загуба на енергия от йоните. Нужни бяха нови идеи.
Най-успешният амбиполярен капан TMX-U
Физиците предлагат нови решения, свързани предимно с подобряване на надлъжното задържане на плазмата: амбиполярно задържане, гофрирани капани и газодинамични капани.
- Амбиполярното задържане се основава на факта, че електроните "текат" от отворен капан 28 пъти по-бързо от деутериевите и тритиевите йони и в краищата на капана възниква потенциална разлика - положителна от йоните вътре и отрицателна отвън. Ако полетата с плътна плазма се усилват в краищата на инсталацията, тогава амбиполярният потенциал в плътната плазма ще предпази вътрешното по-малко плътно съдържание от разсейване.
- Вълнообразните капани създават „оребрено“ магнитно поле в края, в което разширяването на тежките йони се забавя поради „триене“ срещу полето на капана, заключено в „кухините“.
- И накрая, газодинамичните капани създават с магнитно поле аналог на съд с малък отвор, от който плазмата тече с по-ниска скорост, отколкото в случая на „огледални тапи“.
Диаграмата на магнитната система и плазменото нагряване на Гама-10 ясно илюстрира докъде сме стигнали от прости решения OL от 80-те години.
В същото време, през 1975 г., в уловителя 2X-IIB, американски изследователи първи в света постигнаха символична йонна температура от 10 keV - оптимална за термоядрено изгаряне на деутерий и тритий. Трябва да се отбележи, че през 60-те и 70-те години те са белязани от преследването на желаната температура по всякакъв начин, тъй като... температурата определя дали реакторът изобщо ще работи, докато други два параметъра - плътността и скоростта на изтичане на енергия от плазмата (или по-често наричано "време на задържане") могат да бъдат компенсирани чрез увеличаване на размера на реактора. Въпреки това, въпреки символичното постижение, 2X-IIB беше много далеч от това да бъде наречен реактор - теоретичната изходна мощност би била 0,1% от тази, изразходвана за задържане и нагряване на плазмата. Остана сериозен проблем ниска температураелектрони - около 90 eV на фона на 10 keV йони, поради факта, че по един или друг начин електроните са били охладени до стените на вакуумната камера, в която се намира уловителя.
Елементи на вече несъществуващия амбиполярен капан AMBAL-M
Началото на 80-те години бележи върха на развитието на този клон на CTS. Пикът на развитие е американският проект MFTF на стойност 372 милиона долара (или 820 милиона долара по днешни цени, което доближава проекта по цена до машина като Wendelstein 7-X или токамак K-STAR).
Свръхпроводящи магнитни модули MFTF…
И тялото на неговия 400-тонен краен свръхпроводящ магнит
Това беше амбиполярен капан със свръхпроводящи магнити, вкл. шедьовър терминал "ин-ян", множество системи и отопление на плазмена диагностика, рекорд във всички отношения. Предвиждаше се постигане на Q=0,5, т.е. Изходът на енергия от термоядрена реакция е само два пъти по-малък от разходите за поддържане на работата на реактора. Какви резултати постигна тази програма? Той беше затворен с политическо решение в състояние, близко до готовност за изстрелване.
End "Yin-Yang" MFTF по време на монтаж в 10-метрова вакуумна камера на инсталацията. Дължината му трябваше да достигне 60 метра.
Въпреки факта, че това шокиращо от всички страни решение е много трудно за обяснение, ще опитам.
През 1986 г., когато MFTF беше готов да стартира, друга любима звезда светна в хоризонта на концепциите на TCB. Проста и евтина алтернатива на "бронзовите" отворени капани, които по това време са станали твърде сложни и скъпи на фона на оригиналната концепция от началото на 60-те.Всички тези свръхпроводящи магнити с озадачаващи конфигурации, бързи неутрални инжектори, мощна радиочестота плазмени нагревателни системи, озадачаващи вериги за потискане на нестабилността - изглеждаше, че такива сложни инсталации никога няма да станат прототип на термоядрена електроцентрала.
JET в оригинална конфигурация на ограничител и медни намотки.
Така че токамаците. В началото на 80-те тези машини достигнаха параметри на плазмата, достатъчни за изгаряне на термоядрена реакция. През 1984 г. е изстрелян европейският токамак JET, който трябва да показва Q=1 и използва прости медни магнити, цената му е само $180 милиона. В СССР и Франция се проектират свръхпроводящи токамаци, които почти не изразходват енергия за работата на магнитната система. В същото време физиците, работещи върху отворени капани от години, не успяха да постигнат напредък в повишаването на стабилността на плазмата и електронната температура, а обещанията за постиженията на MFTF стават все по-неясни. Следващите десетилетия, между другото, ще покажат, че залогът върху токамаците се оказа сравнително оправдан - именно тези капани достигнаха нивото на мощност и Q, които интересуваха енергетиците.
Успехи на открити капани и токамаци до началото на 80-те години на картата на „тройния параметър“. JET ще достигне точка малко над "TFTR 1983" през 1997 г.
Решението за MFTF окончателно подкопава позициите на това направление. Въпреки че експериментите в Института по ядрена физика в Новосибирск и в японското съоръжение Gamma-10 продължават, сравнително успешните програми на техните предшественици TMX и 2X-IIB също се затварят в Съединените щати.
Край на историята? Не. Буквално пред очите ни, през 2015 г., се случва една удивителна тиха революция. Изследователи от Института по ядрена физика на името на. Будкера в Новосибирск, който последователно подобрява капана на GDL (между другото, трябва да се отбележи, че на Запад преобладават амбиполярните, а не газодинамичните капани) внезапно достигат параметри на плазмата, които бяха прогнозирани като „невъзможни“ от скептиците през 80-те години.
Още веднъж GDL. Зелените цилиндри, стърчащи в различни посоки, са неутралните инжектори, които са обсъдени по-долу.
Трите основни проблема, които са погребали отворените капани, са стабилността на MHD в осесиметрична конфигурация (изискваща магнити със сложна форма), неравновесие на функцията на разпределение на йони (микронестабилност) и ниска електронна температура. През 2015 г. GDL с бета стойност от 0,6 достигна електронна температура от 1 keV. Как се случи това?
Отклонението от аксиалната (цилиндрична) симетрия през 60-те години в опитите за преодоляване на нестабилността на флута и други MHD плазмени нестабилности доведе, в допълнение към усложненията магнитни системисъщо и до увеличаване на загубата на топлина от плазмата в радиална посока. Група учени, работещи с GDL, използваха идея от 80-те години, за да приложат радиално електрическо поле, което създава вихрова плазма. Този подход доведе до блестяща победа - с бета 0.6 (нека ви напомня, че това съотношение на налягането на плазмата към налягането на магнитното поле е много важен параметър при проектирането на всеки термоядрен реактор - тъй като скоростта и плътността на освобождаване на енергия се определят от налягането на плазмата, а цената на реактора се определя от мощността на неговите магнити), в сравнение с токамака 0,05-0,1 плазмата е стабилна.
Новите "диагностични" измервателни инструменти ни позволяват да разберем по-добре физиката на плазмата в GDT
Вторият проблем с микронестабилностите, причинен от липсата на нискотемпературни йони (които се изтеглят от краищата на капана чрез амбиполярен потенциал), беше решен чрез накланяне на инжекторите на неутрален лъч под ъгъл. Тази подредба създава пикове на йонна плътност по дължината на плазмения капан, който улавя „топлите“ йони от изтичане. Сравнително просто решение води до пълно потискане на микронестабилностите и до значително подобрение на параметрите за задържане на плазмата.
Неутронен поток от термоядрено изгаряне на деутерий в GDL капан. Черните точки са измервания, линиите са различни изчислени стойности за различни нива на микронестабилности. Червена линия - микронестабилностите са потиснати.
И накрая, основният „гробар“ е ниската електронна температура. Въпреки че са постигнати термоядрени параметри за йони в капани, високата електронна температура е ключът към запазване на горещите йони от охлаждане и следователно за висока стойностВ. Причината за ниската температура е високата топлопроводимост "по протежение" и амбиполярният потенциал, който засмуква "студени" електрони от разширителите зад краищата на капана в магнитната система. До 2014 г. температурата на електроните в отворените капани не надвишава 300 eV, а в GDT е получена психологически важната стойност от 1 keV. Той е получен чрез фина работа с физиката на взаимодействието на електрони в крайните разширители с неутрален газ и плазмени абсорбери.
Това обръща ситуацията с главата надолу. Сега простите капани отново заплашват първенството на токамаците, достигнали чудовищни размери и сложност (GDML-U, който съчетава идеите и постиженията на GDT и метод за подобряване на надлъжното задържане на GOL. Въпреки че под влияние на нови резултати образът на GDML се променя, той остава основната идея в областта на отворените капани.
Къде стоят настоящите и бъдещи разработки в сравнение с конкурентите? Токамаците, както знаем, достигнаха стойността на Q=1, решиха много инженерни проблеми, ще преминат към изграждането на ядрени, а не електрически инсталации и уверено се движат към прототипа на енергиен реактор с Q=10 и термоядрена мощност до 700 MW (ITER). Стелараторите, които изостават няколко стъпки, преминават от изучаване на фундаментална физика и решаване на инженерни проблеми при Q = 0,1, но все още не рискуват да навлязат в областта на истинските ядрени инсталации с термоядрено изгаряне на тритий. GDML-U може да бъде подобен на стеларатора W-7X по отношение на параметрите на плазмата (като обаче е импулсна инсталация с продължителност на разряда от няколко секунди срещу половинчасовата дългосрочна работа на W-7X), но поради простата си геометрия цената му може да бъде няколко пъти по-малка от германския стеларатор.
Оценка на BINP.
Има варианти за използване на GDML като средство за изследване на взаимодействието на плазма и материали (въпреки това има доста такива съоръжения в света) и като източник на термоядрен неутрон за различни цели.
Екстраполация на размерите на HDML в зависимост от желания Q и възможните приложения.
Ако утре отворените капани отново станат фаворити в надпреварата за CTS, може да се очаква, че поради по-ниските капиталови инвестиции във всеки етап, до 2050 г. те ще наваксат и надминат токамаците, превръщайки се в сърцето на първите термоядрени електроцентрали. Освен ако плазмата не поднесе нови неприятни изненади...
Тагове: Добавете тагове
Да съдържа термоядрена плазма в определен обем пространство, ограничено по посока на полето. За разлика от затворените капани (токамаци, стеларатори), които имат формата на тороид, за O. l. характеризиращ се с линейна геометрия и линии на магнитно поле. Полетата пресичат крайните повърхности на плазмата (произходът на термина “O.L.” е свързан с последното обстоятелство – те са “отворени” в краищата).
О. л. имат редица потенциали. предимства пред затворените: те са по-прости в инженерно отношение, те използват енергията на съдържащия плазма магнит по-ефективно. полета, проблемът с отстраняването на тежки примеси и продукти от термоядрена реакция от плазмата е по-лесен за решаване, много други. разновидности на O. l. може да работи в напълно стационарен режим. Въпреки това, възможността за реализиране на тези предимства в термоядрен реактор, базиран на O.L. изисква повече експерименти. доказателства.
Камера за охлюв - макс. общ тип O. l. (Фиг. 1, а). Предложено в началото 1950 г независимо от G.I. Budker и R. Post. Зони със силно магнитно поле полетата в краищата на този капан задържат плазмата, поради което се наричат. маг. задръствания
Ориз. 1. Различни видовеотворени магнитни капани (точките показват плазма): А- коркова бутилка; b- амбиполярен капан ( ОТНОСНО- дълга централна щепселна камера, 1 - огледални клетки с къс край); V- антикорктрон (0 - сърцевина на магнитно поле, А- аксиална междина, IN- пръстеновиден слот); Ж- многокорков капан.
Задържането на частици в огледалната клетка се дължи на адиабат. инвариантността на неговия магнит. момент, който възниква при условия, когато ларморовият радиус на частицата е малък в сравнение с мащаба на промяна в магнитното поле. полета (вж Адиабатни инварианти).В нерелативистичното приближение магн. момент на частица 
Където н- магнитно напрежение полета и Tи - маса и перпендикуляр маг. компонент на полето на скоростта на частиците. От адиабатен инвариантността и закона за запазване на енергията на частиците следва, че при условие 
(Където нмакс - макс. Магнитна стойност полета в задръствания), частицата се отразява от задръстванията и извършва ограничено движение вътре в капана.
Ако означим с индекс "0" стойностите на всички величини в минималната маг. полета, след това състоянието 
може да се запише във формата
Размер РНаречен "корково отношение". От условие (1) следва, че за дадено отношение на полето нмакс и н 0, само онези частици се задържат в капана, чийто вектор на скоростта лежи в скоростното пространство извън „конуса на загуба“ [конус с ос, успоредна на магнитното поле. поле и с ъгъл на върха =
В осесиметрична огледална клетка плазмата обикновено е подложена на нестабилност на канала, което води до изтичане на плазма през магнитното поле. полета под формата на тесни езици. Нестабилността възниква, защото в такава огледална клетка модулът е магнитен. Полето намалява в радиална посока и за плазмата е енергийно изгодно да се придвижи към областта на слаба нула. За стабилизиране на нестабилността на флейта се използват неосесиметрични магнити. полета с абс. минимум нв зоната на задържане.
Огледалните клетки се пълнят с гореща плазма чрез инжектиране на бързи водородни атоми. Проникване през магнита. полета в плазмата, те се улавят там поради йонизация и обмен на заряд и осигуряват поддържането на материал и енергия. плазмен баланс. Използвайки този метод, квазистационарна плазма с плътност ~10 14 cm -3 и йонна температура е получена в 2KhPV огледална клетка в Ливърморската лаборатория (САЩ) през 1976 г. T i 10 8 К.
Еластичният сблъсък на плазмените йони един с друг води до тяхното разсейване, попадане в конуса на загубите и напускане на огледалната клетка. Изчисленията показват, че продължителността на живота на плазмата, определена от този процес в огледалната клетка, може да се оцени по следната формула:
където е времето на разсейване на йони под ъгъл от порядъка на единица. Тази оценка е валидна при условия, при които дължината на огледалната клетка е малка в сравнение със средния свободен път на йоните
Времето на разсейване на електрони е много кратко в сравнение с и следователно функцията на разпределение на електроните е близка до Максуелова. По-специално, той е изотропен, т.е. Някои електрони са в конуса на загубите и могат да избягат от капана през щепселите. При такива условия квазинеутралността на плазмата се осигурява от възникващата в нея амбиполярна електрическа енергия. поле, което предотвратява загубата на електрони. Разпределение на амбиполярния потенциал по определена линия на магнитното поле. полета са дадени f-loy
Където T e- temp-pa на електрони, П- локална плазмена плътност. Амбиполярно електричество полето води до известно влошаване на задържането на йони.
Към страхотното допълнение. Намаляването на живота на йоните се причинява от тяхното разсейване върху надтермични електрически флуктуации. полета, които могат да възникнат поради анизотропия на функцията на разпределение на йони (анизотропията е свързана с отсъствието на йони в конуса на загуба). Сравнително краткият живот в огледална клетка прави перспективите за използване на такива системи като термоядрени реактори не много благоприятни. В тази връзка в различно времебеше предложен няколко пъти. подобрени видове O. l., базирани на идеята за огледална камера.
Амбиполярен капан. Една от възможностите за увеличаване на времето за задържане на йони е свързана с използването на амбиполярно електричество. полета. Към дългата коркова бутилка ОТНОСНО(Фиг. 1, b) с плазма с умерена плътност, от всяка страна е свързана къса огледална клетка 1
, при които с помощта на интензивно инжектиране високоенергийни. неутрални атоми, се поддържа висока плътност на плазмата. Тогава, в съответствие с (3), между централните и външните огледални клетки възниква потенциална разлика, равна на ( T e /e)1п( n 1 / n 0), а за йоните център. el-static се появява в камерата на щепсела. потенциал яма. При достатъчно голяма разлика в плътността дълбочината на кладенеца ще бъде толкова голяма, че загубата на йони от центъра. огледалната клетка ще стане незначителна. Разбира се, поддържането на висока плазмена плътност в крайните огледални клетки изисква определена решителност. енергичен разходи, но тези разходи не зависят от дължината на центъра. щепселна камера. И тъй като силата на освобождаване на термоядрена енергия в него е пропорционална. дължината му, след което правите центъра. Корковата камера е достатъчно дълга, за да гарантира, че е поставена. енергичен баланс на системата като цяло.
Ориз. 2. Схема на амбиполярния капан на TMH: 1 - аксиално асиметрична намотка на крайната огледална клетка, осигуряваща минимално магнитно поле нпо оста; 2 - намотки на централния соленоид; 3 - преходни намотки; 4 - плазма; 5 - инжектори на неутрални атоми. Характерната “ветрилообразна” форма на плазмата в краищата на инсталацията се дължи на свойствата на магнитното поле на инсталацията. В централния соленоид напречното сечение на плазмата е кръгло.
В експерименти върху редица амбиполярни капани в кон. 70-те – ран 80-те години Доказано е, че амбиполярният център за задържане на йони. детекторът за корк наистина съществува. Когато създавате желаното разпределение на плътността, животът на йоните е в центъра. задръстванията се увеличиха ~10 пъти в сравнение с оценката (2). Център за параметри на плазмата. огледалните клетки бяха доста умерени (в инсталацията TMH диаграмата е показана на фиг. 2, T i~ 100 eV, n i~10 13 см 3).
Трудностите при увеличаване на плазмените параметри в амбиполярни капани са свързани с гл. обр. с възможност за засилено разсейване на крайните огледални клетъчни йони чрез надтермични флуктуации.
Неосесиметричен магнитен полетата, използвани за стабилизиране на нестабилността на каналите, могат да бъдат източник на подобрен напречен плазмен трансфер, напомнящ на неокласическия трансфер в затворени капани. Следователно е необходимо да се намерят топологично прости осесиметрични магнити. конфигурации, в които плазмата би била стабилна по отношение на смущенията на каналите.
Т.н. антикорктрон, който се получава, когато два коаксиални магнита са включени в противоположност. намотки (фиг. 1, V), е една от конфигурациите с това свойство.
Магнитен модул Полетата в този капан имат абс. минимум в центъра на системата, но този минимум е нула. Съответно, близо до центъра на анти-слагера адиабата е нарушена. инвариантност и плазмата от този регион бързо се губи по линиите на полето. За да премахнете тези загуби, можете да използвате аксиални Аи кръгово кръстовище INантикоркови пукнатини, специална система. електроди, които предотвратяват загубата на електрони. След това задържането на йони ще бъде осигурено от него. амбиполярен плазмен потенциал. техн. ограниченията затрудняват екстраполирането на тази схема към параметрите на плазмения реактор. Може би троните против плужеци ще намерят приложение като стабилизиращ елемент в амбиполярни капани.
Съвсем други възможности за увеличаване на времето на задържане са свързани с прехода към O. l. с дължина Л, надвишаващ средния свободен път на йони. Пример за системи от този тип е многоогледален капан (MTL), предложен в началото. 70-те години Инсталацията е под формата на верига от свързани помежду си огледални клетки (фиг. 1, d), като дължината на всяка е по-къса. В такъв O. l. Животът на плазмата се увеличава с коефициент 10 спрямо оценката (2).
д-р инсталация, принадлежаща към този клас е т.нар. газодинамичен капан (GDT), който е огледална камера с голямо съотношение на огледалото ( R= 50 - 100) и с дълж L>/R. Живот на плазмата в GDL в LR/ пъти повече от оценката (2). Особеността на GDL е, че нестабилността на флейтата в него може да бъде потисната дори в проста осесиметрична магнитна конфигурация. полета.
Предимството на O. l. с L>IR(MPL, GDL) е, че надлъжните загуби на плазма от тях не зависят от микрофлуктуации, недостатъкът е, че дължината на такива инсталации (в реакторната версия) е сравнително голяма.
Лит.:Чуянов В.А., Адиабатни магнитни капани, в книгата: Резултати от науката и технологиите. сер. Физика на плазмата, том 1, част 1, М., 1980; Чириков Б.В., Динамика на частиците в магнитни капани, в: Проблеми на теорията на плазмата, т. 13, М., 1984; Рютов Д. Д., Ступаков Г. В., Процеси на пренос в аксиално асиметрични отворени капани, пак там; Пастухов В.П., Класически надлъжни загуби на плазма в отворени адиабатни капани, пак там; Ryutov D.D., Открити капани, UFN, 1988, том 154, стр. 565.
д. Д. Рютов.
Измина повече от половин век от началото на работата по контролирания термоядрен синтез в света. Решението на този проблем трябва да осигури на човечеството почти неограничен източник на енергия.
Първоначално изглеждаше, че проблемът с мирното използване на синтеза на леки ядра за производство на енергия може да бъде решен доста бързо, особено след като имаше пример наблизо, когато от първия тест атомна бомбаИзминаха по-малко от четири години преди създаването на първата атомна електроцентрала в Съветския съюз. Но с контролируеми термоядрен синтезвсичко се оказа много по-сложно, а пътят до изпълнението му се оказа много по-дълъг, отколкото изглеждаше в началото.
За да се реши този проблем, беше необходимо да се създаде плътна плазма с висока температура, да се задържи дълго време и да се използва енергията на протичащите в нея ядрени реакции. Беше предложено да се използва силно магнитно поле за ограничаване на плазмата. Още в първите експерименти обаче беше открито, че плазмата в магнитно поле се държи непредсказуемо и бързо се губи от капана. Отне много време, за да се разберат най-сложните процеси, протичащи в плазмата, и да се премине към създаването на термоядрен реактор.
| Многоогледален капан GOL-3 - подготовка за Експериментът е в разгара си. |
Към днешна дата в експериментите с тороидални (с форма на поничка - Ред.) инсталации от типа на токамак е постигнат значителен напредък в параметрите на горещата плазма, което позволи да се премине директно към задачата за изграждане на инсталацията ITER, в което термоядрено плазмено горене ще се поддържа дълго време при ниво на мощност от 500 MW . Проектът ITER, разбира се, е от огромно значение за цялото човечество. Мащабът му е толкова голям, че осъществяването му стана възможно само на базата на широко международно сътрудничество.
В същото време дори успешната демонстрация в ITER на термоядрено плазмено изгаряне изобщо не означава, че бъдещите термоядрени реактори ще бъдат построени на базата на токамаци. Успоредно с това, в проучвания върху физиката на високотемпературната плазма, беше предложено да се използват отворени капани с магнитни огледала, топологично различни от токамаците, за да я задържат. Тези капани имат редица основни предимства в сравнение с токамаците. По-специално, те са по-опростени като дизайн, което в бъдеще може да бъде важен аргумент в полза на използването им като термоядрени реактори. Остава обаче да се докаже на практика, че е възможно да се постигнат високи плазмени параметри в тези капани, които все още са значително по-ниски от изискваните. Значителен напредък в тази посока е постигнат в последните годиниНа модерни инсталацииот този тип с подобрено задържане на плазмата в Института по ядрена физика SB RAS, който беше и остава един от световните лидери в тази област на изследване.
| Контролен панел GOL-3. |
Една от тези инсталации е многоогледалният капан GOL-3, където се провеждат експерименти с плътна (до 1023 m -3) плазма. С тази инсталация бяха получени редица уникални резултати. По-специално, ефектът от потискане на надлъжната електронна топлопроводимост с три порядъка беше открит поради развитието на микротурбулентност в плазмата по време на преминаването на релативистичен електронен лъч, което направи възможно получаването на електронна температура от 4 keV в капанът. В многоогледална магнитна конфигурация ефектът беше открит и обяснен бързо нагряванейони до температура 2 keV при плазмена плътност 1021 m -3. Постигнатите параметри позволяват да се симулират физически процеси в многоогледален термоядрен реактор. Освен това инсталацията дава възможност да се изследват ефектите от взаимодействието на нагорещената от електрони плазма с повърхността в токамаците с термоядрена плазма.
| Газодинамичен уловител GDL - прототип мощен източник на неутрони. |
Институтът предлага и бързо внедрява друга схема на модерни открити уловители - т. нар. газодинамичен плазмен уловител (GPL). Дължината на GDL и големината на магнитното поле в центъра и в краищата са избрани така, че ефективният среден свободен път на йоните да е по-малък от дължината на инсталацията. При такива условия животът на плазмата се определя по същия начин, както се прави при изчисляване на загубите на обикновен газ през отвор в съд, с което се свързва и името на инсталацията. Животът на плазмата в GDT е нечувствителен към възможността за възбуждане на микрофлуктуации в него и това прави прогнозирането на експерименталните резултати и екстраполирането му към условията на реактора надеждни. Друго предимство на GDL е способността да се осигури хидродинамична стабилност на плазмата в рамките на осесиметрична конфигурация. Тези теоретични заключения вече са потвърдени експериментално. Газодинамичният капан има перспективи както в чисто реакторно отношение, така и като основа за създаване на материаловеден източник на термоядрени неутрони.
| Млади служители на групата GDL. |
В инсталацията GDL инжектирането на атомни лъчи от деутерий с обща мощност от около 4 MW позволява да се увеличи плазменото налягане в капана до почти половината от налягането на ограничаващото магнитно поле. Неутронното лъчение, наблюдавано в този случай, е концентрирано главно в точките на спиране на бързите дейтрони, инжектирани в капана под ъгъл от 45 градуса. Работи се за по-нататъшно увеличаване на мощността и продължителността на инжектиране, за да се възпроизведат в експеримента условията, които ще съществуват в деутериево-тритиевата плазма на източник на неутрони с плътност на потока от 14 MeV неутрони от 0,5 MW/m 2. По-нататъшното увеличаване на инжектирането трябва да увеличи плътността на неутронния поток до 2 MW/m 2, което е необходимо за изпитване на материалите на бъдещия термоядрен реактор токамак при максимални натоварвания.
Снимка В. Новиков
А. Иванов, доктор на физико-математическите науки, БИНФ
