Наверное нет ни одного поля человеческой деятельности, столь полной разочарований и отвергнутых героев, как попытки создать термоядерную энергетику. Сотня концепций реакторов, десятки команд, которые последовательно становились фаворитами публики и госбюджетов, и наконец вроде определившийся в победитель в виде токамаков. И вот опять - достижения новосибирских ученых возрождают интерес по всему миру к концепции, жестоко растоптанной в 80х. А теперь подробнее.

Открытая ловушка ГДЛ, на которой получены впечатляющие результаты

Среди всего многообразия предложений, как же извлекать энергию из термоядерного слияния больше всего ориентируются на стационарное удержание относительно неплотной термоядерной плазмы. Например проект ИТЭР и шире - тороидальные ловушки токамаки и стеллараторы - именно отсюда. Тороидальные они потому что это простейшая форма замкнутого сосуда из магнитных полей (из-за теоремы о причесывании ежа сферический сосуд сделать не получится). Однако на заре исследований в поле управляемого термоядерного синтеза фаворитами выглядели не ловушки сложной трехмерной геометрии, а попытки удержать плазму в так называемых открытых ловушках. Это обычно тоже магнитные сосуды циллиндрической формы в которых плазма хорошо удерживается в радиальном направлении и утекает с обоих концов. Идея изобретателей тут проста - если нагрев новой плазмы термоядерной реакцией будет идти быстрее, чем расход тепла с утекающей с концов - то и бог с ним, с открытостью нашего сосуда, энергия будет вырабатываться, а утечка все равно будет происходить в вакуумный сосуд и топливо будет гулять в реакторе, пока не сгорит.

Идея открытой ловушки - магнитный циллиндр с пробками/зеркалами на концах и расширителями за ними.

Кроме того, во всех открытых ловушках применяются те или иные способы задержать плазму от вылета через концы - и самый простой здесь - это резко усилить магнитное поле на концах (поставить магнитные “пробки” в отечественной терминологии или “зеркала” в западной), при этом налетающие заряженные частицы будут, фактически, отпружинивать от зеркал-пробок и только небольшая часть плазмы будет проходить сквозь них и попадать в специальные расширители.

И чуть менее схематическое изображение героини сегодняшнего дня - добавляется вакуумная камера, в которой летает плазма, и всякое оборудование.

Первый эксперимент с “зеркальной” или “открытой” ловушкой - Q-cucumber был поставлен в 1955 году в американской Lawrence Livermore National Laboratory . На долгие годы эта лаборатория становится лидером в развитии концепции УТС на базе открытых ловушек (ОЛ).

Первый в мире эксперимент - открытая ловушка с магнитными зеркалами Q-cucumber

По сравнению с замкнутыми конкурентами в плюсы ОЛ можно записать гораздо более простую геометрию реактора и ее магнитной системы, а значит - дешевизну. Так, после падения первого фаворита УТС - Z-pinch реакторов открытые ловушки получают максимальный приоритет и финансирование в начале 60х годов, как обещающие быстрое решение за небольшие деньги.

Начало 60х, ловушка Table Top

Однако тот самый Z-pinch пошел в отставку не случайно. Его похороны были связаны с проявлением природы плазмы - нестабильностями, которые разрушали плазменные образования при попытке сжать плазму магнитным полем. И именно эта, плохо изученная 50 лет назад особенность сразу начала раздражающе мешать экспериментаторам с открытыми ловушками. Желобковые неустойчивости заставляют усложнять магнитную систему, вводя кроме простых круглых соленоидов “палки Иоффе”, “бейсбольные ловушки” и “катушки инь-янь” и снижать отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (параметр β).

«Бейсбольный» сверхпроводящий магнит ловушки Baseball II, середина 70х

Кроме того, утечка плазмы идет по разному для частиц с разной энергии, что приводит к неравновесности плазмы (т.е. немаксвелловскому спектру скоростей частиц), что вызывает еще ряд неприятных неустойчивостей. Эти неустойчивости в свою очередь “раскачивая” плазму ускоряют ее уход через концевые пробкотроны.В конце 60х годов простые варианты открытых ловушек достигли предела по температуре и плотности удерживаемой плазмы, и эти цифры были намного порядков меньше нужных для термоядерной реакции. Проблема в основном заключалась в быстром продольном охлаждении электронов, на которых затем теряли энергию и ионы. Нужны были новые идеи.

Успешнейшая амбиполярная ловушка TMX-U

Физики предлагают новые решения, связанные прежде всего с улучшением продольного удержания плазмы: амбиполярное удержание, гофрированные ловушки и газодинамические ловушки.

• Амбиполярное удержание базируется на том факте, что электроны “вытекают” из открытой ловушки в 28 раз быстрее ионов дейтерия и трития, и на концах ловушки возникает разность потенциалов - положительный от ионов внутри и отрицательный снаружи. Если на концах установки сделать усиления поля с плотной плазмой, то амбиполярный потенциал в плотной плазме будет удерживать внутреннее менее плотное содержимое от разлета.
• Гофрированные ловушки создают на конце “ребристое” магнитное поле, на котором разлет тяжелый ионов тормозиться из-за “трения” об запертые в “впадинах” поля ловушки.
• Наконец газодинамические ловушки создают магнитным полем аналог сосуда с маленькой дырочкой, из которого плазма вытекает с меньшей скоростью, чем в случае “зеркал-пробок”.

Интересно, что все эти концепции, по которым были построены экспериментальные установки потребовали дальнейшего усложнения инженерии открытых ловушек. Прежде всего, здесь впервые в УТС появляются сложные ускорители нейтральных пучков, которые нагревают плазму (в первых установках нагрев достигался обычным электрическим разрядом) и модулируют ее плотность в установке. Добавляется и радиочастотный нагрев, впервые появившийся на рубеже 60х/70х в токамаках. Строятся крупные и дорогие установки Gamma-10 в Японии, TMX в США, АМБАЛ-М, ГОЛ и ГДЛ в Новосибирском ИЯФе.

Схема магнитной системы и нагрева плазмы Gamma-10 хорошо иллюстрирует как далеко ушли от простых решений ОЛ к 80-м годам.

Параллельно, в 1975 на ловушке 2Х-IIB американские исследователи первыми в мире достигают символичной температуры ионов в 10 кЭв - оптимальной для протекания термоядерного горения дейтерия и трития. Надо заметить, что в 60е и 70е прошли под знаком погони за нужной температуры хоть каким путем, т.к. температура определяет, заработает ли реактор вообще, тогда как два других параметра - плотность и скорость утечки энергии из плазмы (или чаще это называют “временем удержания”) можно компенсировать увеличением размера реактора. Однако несмотря на символическое достижение, 2Х-IIB была очень далеко от того, что бы называться реактором - теоретическая выделяемая мощность составляла бы 0,1% от затрачиваемой на удержание и подогрев плазмы. Серьезной проблемой оставалась низкая температура электронов - порядка 90 эВ на фоне 10 кЭв ионов, связанная с тем, что так или иначе электроны охлаждались о стенки вакуумной камеры, в которой расположена ловушка.

Элементы ныне не работающей амбиполярной ловушки АМБАЛ-М

В начале 80х приходится пик развития этой ветви УТС. Пиком развития становится американский проект MFTF стоимостью в 372 млн долларов (или 820 млн в сегодняшних ценах, что приближает проект по стоимости к такой машине как Wendelstein 7-X или токамаку K-STAR).

Сверхпроводящие магнитные модули MFTF…

И корпус ее 400 тонного концевого сверхпроводящего магнита

Это была амбиполярная ловушка со сверхпроводящими магнитами, в т.ч. шедевральными концевыми “инь-янь”, многочисленными системами и подогрева диагностики плазмы, рекордная по всем параметрам. На нем планировалось достичь Q=0,5, т.е. энерговыход термоядерной реации всего в два раза меньше затрат на поддержание работы реактора. Каких же результатов достигла эта программа? Она была закрыта политическим решением в состоянии, близком к готовности к запуску.

Концевой «Инь-Янь» MFTF во время монтажа в 10-метровой вакуумной камере установки. Ее длина должна была достигать 60 метров.

Не смотря на то, что это шокирующее со всех сторон решение очень сложно объяснить, я попробую.
К 1986 году, когда MFTF была готова к запуску на небосклоне концепций УТС зажглась звезда другого фаворита. Простая и дешевая альтернатива “забронзовевшим” открытым ловушкам, которые к этому моменту стали слишком сложными и дорогими на фоне изначальной концепции начала 60х Все эти сверхпроводящие магниты головоломных конфигураций, инжекторы быстрых нейтралов, мощные радиочастотные системы нагрева плазмы, головоломные схемы подавления нестабильности - казалось, что никогда такие сложные установки не станут прообразом термоядерной электростанции.

JET в первоначальной лимитерной конфигурации и медными катушками.

Итак токамаки. В начале 80х годов эти машины достигли параметров плазмы, достаточной для горения термоядерной реакции. В 1984 году пущен европейский токамак JET, который должен показать Q=1, и он использует простые медные магниты, его стоимость составляет всего 180 млн долларов. В СССР и Франции проектируют сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратят энергию на работу магнитной системы. В то же время физики, работающие на отрытых ловушках годами не могут добиться прогресса в повышении устойчивости плазмы, электронной температуры, и обещания по достижениям MFTF становятся все более расплывчатыми. Следующие десятилетия, кстати, покажут, что ставка на токамаки оказалась сравнительно оправданной - именно эти ловушки дошли до уровня мощностей и Q, интересных энергетикам.

Успехи открытых ловушек и токамаков к началу 80х на карте «тройного параметра». JET достигнет точки слегка выше «TFTR 1983» в 1997 году.

Решение по MFTF окончательно подрывает позиции этого направления. Хотя эксперименты в новосибирском ИЯФ и на японской установке Gamma-10 продолжаются, в США закрывают и довольно успешные программы предшественников TMX и 2Х-IIB.
Конец истории? Нет. Буквально на наших глазах, в 2015 году, происходит удивительная тихая революция. Исследователи из института ядерной физики им. Будкера в Новосибирске, последовательно улучшавшие ловушку ГДЛ (кстати, надо заметить, что на западе первенствовали амбиполярные, а не газодинамические ловушки) внезапно достигают параметров плазмы, которые были предсказаны, как “невозможные” скептиками в 80х.

Еще раз ГДЛ. Зеленые цилиндры, торчащие в разные стороны - это инжекторы нейтралов, о которых речь ниже.

Три основные проблемы, похоронившие открытые ловушки - МГД устойчивость в осесимметричной конфигурации (потребовавшая магнитов сложной формы), неравновесность функции распределения ионов (микронеустойчивости), и низкая электронная температура. В 2015 году ГДЛ, при значении бета 0,6 достигла температуры электронов в 1 кЭв. Как это произошло?
Уход от осевой (цилиндрической) симметрии в 60х в попытках победить желобковые и другие МГД-неустойчивости плазмы привел кроме усложнения магнитных систем еще и к увеличению потерь тепла из плазмы в радиальном направлении. Группа ученых, работавших с ГДЛ использовала идею 80х годов по приложению радиального электрического поля, создающего завихренную плазму. Этот подход привел к блестящей победе - при бета 0,6 (напомню, что это отношение давления плазмы к давлению магнитного поля - весьма важный параметр в конструкции любого термоядерного реактор - т.к. скорость и плотность энерговыделения определяются давлением плазмы, а стоимость реактора определяется мощностью его магнитов), по сравнению с токамачной 0,05-0,1 плазма стабильна.

Новые измерительные приборы-«диагностики», позволяют лучше понимать физику плазмы в ГДЛ

Вторая проблема с микронеустойчивостями, вызванная недостатком ионов с низкими температурами (которые вытягиваются с концов ловушки амбиполярным потенциалом) была решена с помощью наклона инжекторов нейтральных лучей под углом. Такое расположение создает вдоль плазменной ловушки пики плотности ионов, которые задерживают “теплые” ионы от ухода. Относительно простое решение приводит к полному подавлению микронеустойчивостей и к значительному улучшению параметров удержания плазмы.

Поток нейтронов от термоядерного горения дейтерия в ловушке ГДЛ. Черные точки - измерения, линии - разннобразные расчетные значения для разного уровня микронестабильностей. Красная линия - микронестабильности подавлены.

Наконец, главный “могильщик” - низкая температура электронов. Хотя для ионов в ловушках достигнуты термоядерные параметры, высокая электронная температура является ключем к удержанию горячих ионов от остыванию, а значит к высоким значением Q. Причиной низкой температуры является высокая теплопроводность “вдоль” и амбиполярный потенциал, засасывающий “холодные” электроны из расширителей за концами ловушки внутрь магнитной системы. До 2014 года электронная температура в открытых ловушках не превышала 300 эВ, а в ГДЛ было получено психологически важное значение в 1 кЭв. Оно получено за счет тонкой работы с физикой взаимодействия электронов в концевых расширителях с нейтральным газом и поглотителями плазмы.
Это переворачивает ситуацию с ног на голову. Теперь уже простые ловушки снова угрожают первенству токамаков, достигших монструозных размеров и сложности (ГДМЛ-U ", объединяющего идеи и достижения ГДЛ и способ улучшения продольного удержания ГОЛ. Хотя под влиянием новых результатов образ ГДМЛ меняется, но она остается магистральной идеей в области открытых ловушек.

Где находятся текущие и будущие разработки по сравнению с конкурентами? Токамаки, как известно, достигли значения Q=1, решили множество инженерных проблем, перешлю к строительству ядерных, а не электрических установок и уверено движутся к уже скорее прообразу энергетического реактора с Q=10 и термоядерной мощностью до 700 МВт (ИТЭР). Стеллараторы, отстающие на пару шагов переходят от изучения принципиальной физики и решению инженерных проблем при Q=0.1, но пока не рискуют заходить на поле истинно ядерных установок с термоядерным горением трития. ГДМЛ-U могла бы быть похожа на стелларатор W-7X по параметрам плазмы (будучи, однако, импульсной установкой с длительностью разряда в несколько секунд против получасовой в перспективе работы W-7X), однако за счет простой геометрии ее стоимость может быть в несколько раз меньше немецкого стелларатора.

Оценка ИЯФ.

Есть варианты использования ГДМЛ в качестве установки для исследования взаимодействия плазмы и материалов (таких установок, впрочем, довольно много в мире) и в качестве термоядерного источника нейтронов для разных целей.

Экстраполяция размеров ГДМЛ в зависимости от нужного Q и возможных применений.

Если же завтра открытые ловушки вновь станут фаворитами в гонке к УТС, можно было бы рассчитывать, что за счет меньших капвложений в каждый этап, к 2050 году они догонят и перегонят токамаки, став сердцем первых термоядерных электростанций. Если только плазма не преподнесет новые неприятные сюрпризы…

Теги: Добавить метки

Наверное нет ни одного поля человеческой деятельности, столь полной разочарований и отвергнутых героев, как попытки создать термоядерную энергетику. Сотня концепций реакторов, десятки команд, которые последовательно становились фаворитами публики и госбюджетов, и наконец вроде определившийся в победитель в виде токамаков. И вот опять - достижения новосибирских ученых возрождают интерес по всему миру к концепции, жестоко растоптанной в 80х. А теперь подробнее.

Открытая ловушка ГДЛ, на которой получены впечатляющие результаты

Среди всего многообразия предложений, как же извлекать энергию из термоядерного слияния больше всего ориентируются на стационарное удержание относительно неплотной термоядерной плазмы. Например проект ИТЭР и шире - тороидальные ловушки токамаки и стеллараторы - именно отсюда. Тороидальные они потому что это простейшая форма замкнутого сосуда из магнитных полей (из-за теоремы о причесывании ежа сферический сосуд сделать не получится). Однако на заре исследований в поле управляемого термоядерного синтеза фаворитами выглядели не ловушки сложной трехмерной геометрии, а попытки удержать плазму в так называемых открытых ловушках. Это обычно тоже магнитные сосуды циллиндрической формы в которых плазма хорошо удерживается в радиальном направлении и утекает с обоих концов. Идея изобретателей тут проста - если нагрев новой плазмы термоядерной реакцией будет идти быстрее, чем расход тепла с утекающей с концов - то и бог с ним, с открытостью нашего сосуда, энергия будет вырабатываться, а утечка все равно будет происходить в вакуумный сосуд и топливо будет гулять в реакторе, пока не сгорит.

Идея открытой ловушки - магнитный циллиндр с пробками/зеркалами на концах и расширителями за ними.

Кроме того, во всех открытых ловушках применяются те или иные способы задержать плазму от вылета через концы - и самый простой здесь - это резко усилить магнитное поле на концах (поставить магнитные “пробки” в отечественной терминологии или “зеркала” в западной), при этом налетающие заряженные частицы будут, фактически, отпружинивать от зеркал-пробок и только небольшая часть плазмы будет проходить сквозь них и попадать в специальные расширители.

И чуть менее схематическое изображение героини сегодняшнего дня - добавляется вакуумная камера, в которой летает плазма, и всякое оборудование.

Первый эксперимент с “зеркальной” или “открытой” ловушкой - Q-cucumber был поставлен в 1955 году в американской Lawrence Livermore National Laboratory . На долгие годы эта лаборатория становится лидером в развитии концепции УТС на базе открытых ловушек (ОЛ).

Первый в мире эксперимент - открытая ловушка с магнитными зеркалами Q-cucumber

По сравнению с замкнутыми конкурентами в плюсы ОЛ можно записать гораздо более простую геометрию реактора и ее магнитной системы, а значит - дешевизну. Так, после падения первого фаворита УТС - Z-pinch реакторов открытые ловушки получают максимальный приоритет и финансирование в начале 60х годов, как обещающие быстрое решение за небольшие деньги.

Начало 60х, ловушка Table Top

Однако тот самый Z-pinch пошел в отставку не случайно. Его похороны были связаны с проявлением природы плазмы - нестабильностями, которые разрушали плазменные образования при попытке сжать плазму магнитным полем. И именно эта, плохо изученная 50 лет назад особенность сразу начала раздражающе мешать экспериментаторам с открытыми ловушками. Желобковые неустойчивости заставляют усложнять магнитную систему, вводя кроме простых круглых соленоидов “палки Иоффе”, “бейсбольные ловушки” и “катушки инь-янь” и снижать отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (параметр β).

«Бейсбольный» сверхпроводящий магнит ловушки Baseball II, середина 70х

Кроме того, утечка плазмы идет по разному для частиц с разной энергии, что приводит к неравновесности плазмы (т.е. немаксвелловскому спектру скоростей частиц), что вызывает еще ряд неприятных неустойчивостей. Эти неустойчивости в свою очередь “раскачивая” плазму ускоряют ее уход через концевые пробкотроны.В конце 60х годов простые варианты открытых ловушек достигли предела по температуре и плотности удерживаемой плазмы, и эти цифры были намного порядков меньше нужных для термоядерной реакции. Проблема в основном заключалась в быстром продольном охлаждении электронов, на которых затем теряли энергию и ионы. Нужны были новые идеи.

Успешнейшая амбиполярная ловушка TMX-U

Физики предлагают новые решения, связанные прежде всего с улучшением продольного удержания плазмы: амбиполярное удержание, гофрированные ловушки и газодинамические ловушки.

• Амбиполярное удержание базируется на том факте, что электроны “вытекают” из открытой ловушки в 28 раз быстрее ионов дейтерия и трития, и на концах ловушки возникает разность потенциалов - положительный от ионов внутри и отрицательный снаружи. Если на концах установки сделать усиления поля с плотной плазмой, то амбиполярный потенциал в плотной плазме будет удерживать внутреннее менее плотное содержимое от разлета.
• Гофрированные ловушки создают на конце “ребристое” магнитное поле, на котором разлет тяжелый ионов тормозиться из-за “трения” об запертые в “впадинах” поля ловушки.
• Наконец газодинамические ловушки создают магнитным полем аналог сосуда с маленькой дырочкой, из которого плазма вытекает с меньшей скоростью, чем в случае “зеркал-пробок”.

Интересно, что все эти концепции, по которым были построены экспериментальные установки потребовали дальнейшего усложнения инженерии открытых ловушек. Прежде всего, здесь впервые в УТС появляются сложные ускорители нейтральных пучков, которые нагревают плазму (в первых установках нагрев достигался обычным электрическим разрядом) и модулируют ее плотность в установке. Добавляется и радиочастотный нагрев, впервые появившийся на рубеже 60х/70х в токамаках. Строятся крупные и дорогие установки Gamma-10 в Японии, TMX в США, АМБАЛ-М, ГОЛ и ГДЛ в Новосибирском ИЯФе.

Схема магнитной системы и нагрева плазмы Gamma-10 хорошо иллюстрирует как далеко ушли от простых решений ОЛ к 80-м годам.

Параллельно, в 1975 на ловушке 2Х-IIB американские исследователи первыми в мире достигают символичной температуры ионов в 10 кЭв - оптимальной для протекания термоядерного горения дейтерия и трития. Надо заметить, что в 60е и 70е прошли под знаком погони за нужной температуры хоть каким путем, т.к. температура определяет, заработает ли реактор вообще, тогда как два других параметра - плотность и скорость утечки энергии из плазмы (или чаще это называют “временем удержания”) можно компенсировать увеличением размера реактора. Однако несмотря на символическое достижение, 2Х-IIB была очень далеко от того, что бы называться реактором - теоретическая выделяемая мощность составляла бы 0,1% от затрачиваемой на удержание и подогрев плазмы. Серьезной проблемой оставалась низкая температура электронов - порядка 90 эВ на фоне 10 кЭв ионов, связанная с тем, что так или иначе электроны охлаждались о стенки вакуумной камеры, в которой расположена ловушка.

Элементы ныне не работающей амбиполярной ловушки АМБАЛ-М

В начале 80х приходится пик развития этой ветви УТС. Пиком развития становится американский проект MFTF стоимостью в 372 млн долларов (или 820 млн в сегодняшних ценах, что приближает проект по стоимости к такой машине как Wendelstein 7-X или токамаку K-STAR).

Сверхпроводящие магнитные модули MFTF…

И корпус ее 400 тонного концевого сверхпроводящего магнита

Это была амбиполярная ловушка со сверхпроводящими магнитами, в т.ч. шедевральными концевыми “инь-янь”, многочисленными системами и подогрева диагностики плазмы, рекордная по всем параметрам. На нем планировалось достичь Q=0,5, т.е. энерговыход термоядерной реации всего в два раза меньше затрат на поддержание работы реактора. Каких же результатов достигла эта программа? Она была закрыта политическим решением в состоянии, близком к готовности к запуску.

Концевой «Инь-Янь» MFTF во время монтажа в 10-метровой вакуумной камере установки. Ее длина должна была достигать 60 метров.

Не смотря на то, что это шокирующее со всех сторон решение очень сложно объяснить, я попробую.

К 1986 году, когда MFTF была готова к запуску на небосклоне концепций УТС зажглась звезда другого фаворита. Простая и дешевая альтернатива “забронзовевшим” открытым ловушкам, которые к этому моменту стали слишком сложными и дорогими на фоне изначальной концепции начала 60х Все эти сверхпроводящие магниты головоломных конфигураций, инжекторы быстрых нейтралов, мощные радиочастотные системы нагрева плазмы, головоломные схемы подавления нестабильности - казалось, что никогда такие сложные установки не станут прообразом термоядерной электростанции.

JET в первоначальной лимитерной конфигурации и медными катушками.

Итак токамаки. В начале 80х годов эти машины достигли параметров плазмы, достаточной для горения термоядерной реакции. В 1984 году пущен европейский токамак JET, который должен показать Q=1, и он использует простые медные магниты, его стоимость составляет всего 180 млн долларов. В СССР и Франции проектируют сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратят энергию на работу магнитной системы. В то же время физики, работающие на отрытых ловушках годами не могут добиться прогресса в повышении устойчивости плазмы, электронной температуры, и обещания по достижениям MFTF становятся все более расплывчатыми. Следующие десятилетия, кстати, покажут, что ставка на токамаки оказалась сравнительно оправданной - именно эти ловушки дошли до уровня мощностей и Q, интересных энергетикам.

Успехи открытых ловушек и токамаков к началу 80х на карте «тройного параметра». JET достигнет точки слегка выше «TFTR 1983» в 1997 году.

Решение по MFTF окончательно подрывает позиции этого направления. Хотя эксперименты в новосибирском ИЯФ и на японской установке Gamma-10 продолжаются, в США закрывают и довольно успешные программы предшественников TMX и 2Х-IIB.

Конец истории? Нет. Буквально на наших глазах, в 2015 году, происходит удивительная тихая революция. Исследователи из института ядерной физики им. Будкера в Новосибирске, последовательно улучшавшие ловушку ГДЛ (кстати, надо заметить, что на западе первенствовали амбиполярные, а не газодинамические ловушки) внезапно достигают параметров плазмы, которые были предсказаны, как “невозможные” скептиками в 80х.

Еще раз ГДЛ. Зеленые цилиндры, торчащие в разные стороны - это инжекторы нейтралов, о которых речь ниже.

Три основные проблемы, похоронившие открытые ловушки - МГД устойчивость в осесимметричной конфигурации (потребовавшая магнитов сложной формы), неравновесность функции распределения ионов (микронеустойчивости), и низкая электронная температура. В 2015 году ГДЛ, при значении бета 0,6 достигла температуры электронов в 1 кЭв. Как это произошло?

Уход от осевой (цилиндрической) симметрии в 60х в попытках победить желобковые и другие МГД-неустойчивости плазмы привел кроме усложнения магнитных систем еще и к увеличению потерь тепла из плазмы в радиальном направлении. Группа ученых, работавших с ГДЛ использовала идею 80х годов по приложению радиального электрического поля, создающего завихренную плазму. Этот подход привел к блестящей победе - при бета 0,6 (напомню, что это отношение давления плазмы к давлению магнитного поля - весьма важный параметр в конструкции любого термоядерного реактор - т.к. скорость и плотность энерговыделения определяются давлением плазмы, а стоимость реактора определяется мощностью его магнитов), по сравнению с токамачной 0,05–0,1 плазма стабильна.

Новые измерительные приборы-«диагностики», позволяют лучше понимать физику плазмы в ГДЛ

Вторая проблема с микронеустойчивостями, вызванная недостатком ионов с низкими температурами (которые вытягиваются с концов ловушки амбиполярным потенциалом) была решена с помощью наклона инжекторов нейтральных лучей под углом. Такое расположение создает вдоль плазменной ловушки пики плотности ионов, которые задерживают “теплые” ионы от ухода. Относительно простое решение приводит к полному подавлению микронеустойчивостей и к значительному улучшению параметров удержания плазмы.

Поток нейтронов от термоядерного горения дейтерия в ловушке ГДЛ. Черные точки - измерения, линии - разннобразные расчетные значения для разного уровня микронестабильностей. Красная линия - микронестабильности подавлены.

Наконец, главный “могильщик” - низкая температура электронов. Хотя для ионов в ловушках достигнуты термоядерные параметры, высокая электронная температура является ключем к удержанию горячих ионов от остыванию, а значит к высоким значением Q. Причиной низкой температуры является высокая теплопроводность “вдоль” и амбиполярный потенциал, засасывающий “холодные” электроны из расширителей за концами ловушки внутрь магнитной системы. До 2014 года электронная температура в открытых ловушках не превышала 300 эВ, а в ГДЛ было получено психологически важное значение в 1 кЭв. Оно получено за счет тонкой работы с физикой взаимодействия электронов в концевых расширителях с нейтральным газом и поглотителями плазмы. по установкам только в самом ИЯФ. Выиграв грант Минобрнауки в 650 млн рублей, институт построит несколько инженерных стендов, в рамках перспективного ректора ""ГДМЛ-U":[http://tnenergy.livejournal.com/8007.html ]", объединяющего идеи и достижения ГДЛ и способ улучшения продольного удержания ГОЛ. Хотя под влиянием новых результатов образ ГДМЛ меняется, но она остается магистральной идеей в области открытых ловушек.

Где находятся текущие и будущие разработки по сравнению с конкурентами? Токамаки, как известно, достигли значения Q=1, решили множество инженерных проблем, перешлю к строительству ядерных, а не электрических установок и уверено движутся к уже скорее прообразу энергетического реактора с Q=10 и термоядерной мощностью до 700 МВт (ИТЭР). Стеллараторы, отстающие на пару шагов переходят от изучения принципиальной физики и решению инженерных проблем при Q=0.1, но пока не рискуют заходить на поле истинно ядерных установок с термоядерным горением трития. ГДМЛ-U могла бы быть похожа на стелларатор W-7X по параметрам плазмы (будучи, однако, импульсной установкой с длительностью разряда в несколько секунд против получасовой в перспективе работы W-7X), однако за счет простой геометрии ее стоимость может быть в несколько раз меньше немецкого стелларатора.

Оценка ИЯФ.

Есть варианты использования ГДМЛ в качестве установки для исследования взаимодействия плазмы и материалов (таких установок, впрочем, довольно много в мире) и в качестве термоядерного источника нейтронов для разных целей.

Экстраполяция размеров ГДМЛ в зависимости от нужного Q и возможных применений.

Если же завтра открытые ловушки вновь станут фаворитами в гонке к УТС, можно было бы рассчитывать, что за счет меньших капвложений в каждый этап, к 2050 году они догонят и перегонят токамаки, став сердцем первых термоядерных электростанций. Если только плазма не преподнесет новые неприятные сюрпризы…

Открытые ловушки

Открытые ловушки — одна из разновидностей установок для магнитного удержания термоядерной плазмы. Открытые ловушки обладают рядом важных преимуществ по отношению к другим системам удержания: они привлекательны с инженерной точки зрения; в них эффективно используется удерживающее плазму магнитное поле; они допускают работу в стационарном режиме; в них относительно просто решается проблема удаления из плазмы продуктов термоядерной реакции и тяжелых примесей. Вместе с тем долгое время считалось, что перспективы открытых ловушек в качестве основы термоядерного реактора сомнительны из-за слишком большой скорости потерь плазмы вдоль силовых линий магнитного поля. Положение изменилось к лучшему только в течение последнего десятилетия, когда был предложен ряд усовершенствований открытых ловушек, позволивших в значительной мере избавить их от этого недостатка. В обзоре излагаются физические принципы новых типов открытых ловушек (амбиполярной, центробежной, многопробочной, газодинамической и др.), рассказывается о современном состоянии исследований на них, делаются прогнозы дальнейших перспектив этих систем. Рассматриваются возможности применения открытых ловушек в качестве высокопоточных генераторов нейтронов с энергией 14 МэВ. Ил. 29. Библиогр. ссылок 97 (102 назв.).

Для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для О. л. характерна линейная геометрия, причём силовые линии магн. поля пересекают торцевые поверхности плазмы (с последним обстоятельством и связано происхождение термина "О. л." - они "открыты" с торцов).
О. л. имеют ряд потенц. преимуществ по сравнению с замкнутыми: они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магн. поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, мн. разновидности О. л. могут работать в полностью стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе О. л. требует ещё эксперим. доказательств.
Пробкотрон - наиб. распространённый тип О. л. (рис. 1, а) . Предложен в нач. 1950-х гг. независимо Г. И. Будкером и Р. Постом (R. Post). Участки сильного магн. поля на концах этой ловушки удерживают плазму, поэтому их наз. магн. пробками.

Рис. 1. Различные типы открытых магнитных ловушек (точками показана плазма): а - пробкотрон; б - амбиполярная ловушка (О - длинный центральный пробкотрон, 1 - короткие концевые пробкотроны); в - антипробкотрон (0 - куль магнитного поля, А - осевая щель, В - кольцевая щель); г - многопробочная ловушка.

Удержание частицы в пробкотроне обусловлено адиабатич. инвариантностью её магн. момента, имеющей место в условиях, когда ларморовский радиус частицы мал по сравнению с масштабом изменения магн. поля (см. Адиабатические инварианты ).В нерелятивистском приближении магн. момент частицы где Н - напряжённость магн. поля, а т и - масса и перпендикулярная магн. полю составляющая скорости частицы. Из адиабатич. инвариантности и закона сохранения энергии частицы следует, что при условии (где Н макс - макс. значение магн. поля в пробках) частица отражается от пробок и совершает финитное движение внутри ловушки.
Если обозначить индексом "0" значения всех величин в минимуме магн. поля, то условие можно записать в виде

Величину R наз. "пробочным отношением". Из условия (1) следует, что при данном соотношении полей Н макс и Н 0 в ловушке удерживаются только те частицы, вектор скорости к-рых лежит в пространстве скоростей вне "конуса потерь" [конуса с осью, параллельной магн. полю, и с углом при вершине =
В осесимметричном пробкотроне плазма, как правило, подвержена желобковой неустойчивости , приводящей к просачиванию плазмы поперёк магн. поля в виде узких языков. Неустойчивость возникает потому, что в таком пробкотроне модуль магн. поля спадает в радиальном направлении, а плазме энергетически выгодно перемещаться в область слабого ноля. Для стабилизации желобковой неустойчивости применяются неосесимметричные магн. поля, имеющие абс. минимум Н в области удержания.
Пробкотроны заполняют горячей плазмой, инжектируя быстрые атомы водорода. Проникая поперёк магн. поля в плазму, они захватываются там вследствие ионизации и перезарядки и обеспечивают поддержание материального и энергетич. баланса плазмы. Таким методом в пробкотроне 2ХПВ в Ливерморской лаборатории (США) в 1976 получена квазистационарная плазма с плотностью ~10 14 см -3 и темп-рой ионов Т i 10 8 К.
Упругие столкновения ионов плазмы друг с другом приводят к их рассеянию, попаданию в конус потерь и выходу из пробкотрона. Расчёты показывают, что определяемое этим процессом время жизни плазмы в пробкотроне может быть оценено по ф-ле

где - время рассеяния иона на угол порядка единицы. Эта оценка справедлива в условиях, когда длина пробкотрона мала по сравнению с длиной свободного пробега ионов
Время рассеяния электронов очень мало по сравнению с и поэтому ф-ция распределения электронов близка к максвелловской. В частности, она изотропна, т. е. значит. часть электронов находится в конусе потерь и могла бы вылететь из ловушки через пробки. В таких условиях квазинейтральность плазмы обеспечивается возникающим в ней амбиполярным электрич. полем, препятствующим потерям электронов. Распределение амбиполярного потенциала вдоль нек-рой силовой линии магн. поля даётся ф-лой

где Т е - темп-pa электронов, п - локальная плотность плазмы. Амбиполярное электрич. поле приводит к нек-рому ухудшению удержания ионов.
К большому дополнит. уменьшению времени жизни ионов приводит их рассеяние на надтепловых флуктуациях электрич. поля, к-рые могут возникать вследствие анизотропии ионной ф-ции распределения (анизотропия связана с отсутствием ионов в конусе потерь). Относительно малое время жизни в пробкотроне делает перспективы применения таких систем в качестве термоядерных реакторов не слишком благоприятными. В связи с этим в разное время было предложено неск. усовершенствованных типов О. л., основанных на идее пробкотрона.

Амбиполярная ловушка . Одна из возможностей повышения времени удержания ионов связана с использованием амбиполярного электрич. поля. К длинному пробкотрону О (рис. 1, б )с плазмой умеренной плотности с каждой стороны присоединяется по короткому пробкотрону 1 , в к-рых с помощью интенсивной инжекции высокоэнергетич. нейтральных атомов поддерживается высокая плотность плазмы. Тогда в соответствии с (3) между центральным и крайними пробкотронами возникает разность потенциалов, равная (Т е /е )1п(п 1 /п 0) , и для ионов центр. пробкотрона появляется эл--статич. потенц. яма. При достаточно большом перепаде плотности глубина ямы будет столь велика, что потери ионов из центр. пробкотрона станут пренебрежимо малыми. Разумеется, поддержание высокой плотности плазмы в концевых пробкотронах требует определ. энергетич. затрат, но эти затраты не зависят от длины центр. пробкотрона. А т. к. мощность термоядерного энерговыделения в нём пропорц. его длине, то, делая центр. пробкотрон достаточно длинным, можно обеспечить положит. энергетич. баланс системы в целом.

Рис. 2. Схема амбиполярной ловушки ТМХ: 1 - аксиально-несимметричная обмотка концевого пробкотрона, обеспечивающая минимум магнитного поля Н на оси; 2 - обмотки центрального соленоида; 3 - переходные обмотки; 4 - плазма; 5 - инжекторы нейтральных атомов. Характерная "веерная" форма плазмы вблизи концов установки обусловлена свойствами магнитного поля установки. В центральном соленоиде сечение плазмы круглое.

В экспериментах на ряде амбиполярных ловушек в кон. 70-х - нач. 80-х гг. было показано, что амбиполярное удержание ионов центр. пробкотрона действительно существует. При создании нужного распределения плотности время жизни ионов центр. пробкотроиа возрастало в ~ 10 раз по сравнению с оценкой (2). Параметры плазмы центр. пробкотрона были при этом довольно умеренными (в установке ТМХ, схема к-рой приведена на рис. 2, T i ~ 100 эВ, n i ~10 13 см 3).
Трудности повышения параметров плазмы в амбиполярных ловушках связаны гл. обр. с возможностью усиленного рассеяния ионов концевых пробкотронов на надтепловых флуктуациях.
Неосесимметричные магн. поля, используемые для стабилизации желобковой неустойчивости, могут быть источником усиленного поперечного переноса плазмы, напоминающего неоклассич. перенос в замкнутых ловушках. Поэтому необходимо отыскать топологически несложные осесимметричные магн. конфигурации, в к-рых плазма была бы устойчива по отношению к желобковым возмущениям.
Т. н. антипробкотрон, возникающий при "встречном" включении двух соосных магн. катушек (рис. 1, в ), - одна из обладающих таким свойством конфигурации.
Модуль магн. поля в этой ловушке обладает абс. минимумом в центре системы, но этот минимум равен нулю. Соответственно, вблизи центра антипробкотрона нарушается адиабатич. инвариантность и плазма из этой области быстро теряется вдоль силовых линий. Для устранения этих потерь можно использовать в осевой А и кольцевой В щелях антипробкотрона систему спец. электродов, предотвращающих потери электронов. Удержание ионов будет тогда обеспечено собств. амбиполярным потенциалом плазмы. Техн. ограничения затрудняют экстраполяцию этой схемы к реакторным параметрам плазмы. Возможно, антипробкотроны найдут применение в качестве стабилизирующего элемента в амбиполярных ловушках.
Совсем др. возможности увеличения времени удержания связаны с переходом к О. л. с длиной L , превышающей длину свободного пробега ионов. Пример систем такого типа - многопробочная ловушка (МПЛ), предложенная в нач. 70-х гг. Установка имеет вид цепочки связанных между собой пробкотронов (рис. 1, г), причём длина каждого меньше. В такой О. л. время жизни плазмы возрастает в раз по отношению к оценке (2).
Др. установка, относящаяся к этому классу, - т. н. газодинамич. ловушка (ГДЛ), представляющая собой пробкотрон с большим пробочным отношением (R = 50 - 100) и с длиной L >/R . Время жизни плазмы в ГДЛ в LR /раз больше оценки (2). Особенность ГДЛ состоит в том, что желобковая неустойчивость в ней может быть подавлена даже в простой осесимметричной конфигурации магн. поля.
Достоинством О. л. с L >IR (МПЛ, ГДЛ) является то, что продольные потери плазмы из них не зависят от микрофлуктуаций, недостатком - то, что длина таких установок (в реакторном варианте) относительно велика.

Лит.: Чуянов В. А., Адиабатические магнитные ловушки, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 1, ч. 1, М., 1980; Чириков Б. В., Динамика частиц в магнитных ловушках, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 13, М., 1984; Рютов Д. Д., Ступаков Г. В., Процессы переноса в аксиально-несимметричных открытых ловушках, там же; Пастухов В. П., Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках, там же; Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН", 1988, т. 154, с. 565.

Д . Д. Рютов .

Физические основы проекта термоядерного реактора на основе открытой ловушки

Институт ядерной физики им. СО РАН, Новосибирск, РФ, *****@***ru
*Новосибирский Государственный Университет, Новосибирск, РФ
**Новосибирский Государственный Технический Университет, Новосибирск, РФ

В связи с развитием нового вида открытых осесимметричных ловушек с плотной плазмой и многопробочным подавлением продольных потерь (ГДМЛ, ) большой интерес представляют оценки того, как мог бы выглядеть термоядерный реактор на их основе. В частности, нужно оценить, можно ли в нём достичь зажигания, с какими топливными циклами он мог бы работать и при каких условиях, его размеры, мощность, и другие характеристики в сравнении с характеристиками реактора-токамака типа ИТЕР. Такие оценки позволят определить направление развития, при котором открытые ловушки сохранят конкурентоспособность по сравнению с токамаками в качестве термоядерного реактора. Второй целью этой работы является обзор физических и инженерных проблем, связанных с удержанием плазмы в ловушках разных типов, и того, как они решаются в системах типа ГДМЛ.

В обзоре показано, что ловушку можно рассматривать как состоящую из двух подсистем – центральной активной зоны и систем подавления продольных потерь по краям. Центральная активная зона должна представлять собой длинный пробкотрон с квази-однородным полем и небольшим пробочным отношением порядка 1.5. Это связано с тем, что повышать удерживающее магнитное поле, а, следовательно, плотность плазмы, оказывается гораздо выгоднее, чем повышать пробочное отношение. В то же время максимально достижимое поле ограничено техническими возможностями сверхпроводников. Снизу магнитное пробочное отношение ограничено требованием удержания большинства заряженных продуктов реакций. Как показано в работах группы ГДЛ, в такой магнитной конфигурации можно удерживать плазму с высоким b~0.6, с низкими поперечными потерями. Активная зона может быть закрыта двумя видами системы подавления продольных потерь – амбиполярной и многопробочной, причём эти принципы могут быть совмещены в одном устройстве. При этом удержание горячей электронной компоненты в любом случае производится электростатическим потенциалом, а холодные электроны с торцевых пластин запираются в расширителях потенциалом Юшманова. Этот метод также опробирован на установке ГДЛ. Дополнительно могут использоваться термобарьеры. Рассмотрена сравнительная эффективность различных систем продольного удержания. Поперечные потери в оптимальной конфигурации должны составлять половину полных потерь. С таким условием при оптимизации системы по полной длине они будут влиять только на радиус плазмы и мощность реактора. Рассмотрены условия зажигания и стационарного горения (с учётом изменения состава плазмы из-за накопления продуктов горения) в реакторах на основе описанной схемы с топливными циклами D-T, D-D и D-He3. Границы зажигания и горения получены в терминах комбинации bBm2kL от температуры, где Bm - максимальное магнитное поле (в первой пробке), k – коэффициент подавления концевой системы, L – длина активной зоны. Получены оценки размеров и мощности реактора при существующих технических ограничениях и скейлингах. Минимальная мощность D-T реактора на основе открытой ловушки и его стоимость могут быть на порядок ниже чем для систем типа ИТЕР.

Литература

Beklemishev A., Anikeev A., Burdakov A. et al. in Fusion for Neutrons And Subcritical Nuclear Fission", AIP Conference Proceedings, 2012, v. 1442, p. 147