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

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 .

Свыше полувека прошло с той поры, когда в мире были начаты работы по управляемому термоядерному синтезу. Решение этой задачи должно обеспечить человечество практически безграничным источником энергии.

На первых порах казалось, что задача мирного использования синтеза легких ядер для получения энергии может быть решена достаточно быстро, тем более, что рядом был пример, когда от первого испытания атомной бомбы до создания первой атомной электростанции в Советском Союзе прошло менее четырех лет. Но с управляемым термоядерным синтезом все оказалось значительно сложнее, и путь к его осуществлению оказался гораздо длиннее, чем казалось сначала.

Для решения этой задачи требовалось создать высокотемпературную плотную плазму, длительное время её удерживать и использовать энергию происходящих в ней ядерных реакций. Для удержания плазмы было предложено использовать сильное магнитное поле. Однако уже в первых экспериментах обнаружилось, что плазма в магнитном поле ведет себя непредсказуемо и быстро теряется из ловушки. Потребовалось немало времени, чтобы разобраться с происходящими в плазме сложнейшими процессами и продвинуться на пути к созданию термоядерного реактора.

К настоящему времени в экспериментах на тороидальных (в форме бублика - Ред.) установках типа токамак достигнут значительный прогресс в параметрах горячей плазмы, что позволило перейти непосредственно к задаче сооружения установки ИТЕР, в которой будет длительное время поддерживаться термоядерное горение плазмы на уровне мощности 500 МВт. Проект ИТЕР, безусловно, имеет громадное значение для всего человечества. Масштаб его столь велик, что реализация стала возможной только на основе широкого международного сотрудничества.

Вместе с тем, даже успешная демонстрация в ИТЕРе термоядерного горения плазмы совсем еще не означает, что термоядерные реакторы будущего будут сооружаться на основе токамаков. Параллельно в исследованиях по физике высокотемпературной плазмы было предложено использовать для ее удержания топологически отличные от токамаков открытые ловушки с магнитными пробками. Эти ловушки имеют ряд принципиальных достоинств по сравнению с токамаками. В частности, они более просты по конструкции, что может оказаться в будущем существенным аргументом в пользу их использования в качестве термоядерного реактора. Однако, еще предстоит продемонстрировать на практике возможность достижения в этих ловушках высоких параметров плазмы, которые пока еще заметно меньше требуемых. Существенный прогресс в этом направлении достигнут в последние годы на современных установках этого типа с улучшенным удержанием плазмы в Институте ядерной физики СО РАН, который был и остается одним из мировых лидеров в этом направлении исследований.

Одной из таких установок является многопробочная ловушка ГОЛ-3, на которой ведутся эксперименты с плотной (до1023 м -3) плазмой. На этой установке получен ряд уникальных результатов. В частности, обнаружен эффект подавления продольной электронной теплопроводности на три порядка величины за счет развития микротурбулентности в плазме при прохождении релятивистского электронного пучка, что позволило получить в ловушке электронную температуру 4 кэВ. В многопробочной магнитной конфигурации обнаружен и получил объяснение эффект быстрого нагрева ионов до температуры 2 кэВ при плотности плазмы 1021м -3 . Достигнутые параметры позволяют моделировать физические процессы в многопробочном термоядерном реакторе. Кроме того, установка позволяет исследовать эффекты взаимодействия электронно-горячей плазмы с поверхностью в токамаках с термоядерной плазмой.

В институте была предложена и в кратчайшие сроки реализована еще одна схема современных открытых ловушек - так называемая газодинамическая плазменная ловушка (ГДЛ). Длина ГДЛ и величина магнитного поля в центре и на концах выбраны такими, чтобы эффективная длина свободного пробега ионов была меньше длины установки. В таких условиях время жизни плазмы определяется аналогично тому, как это делается при расчете потерь обычного газа через отверстие в сосуде, с чем и связано название установки. Время жизни плазмы в ГДЛ нечувствительно к возможности возбуждения в ней микрофлуктуаций, а это делает надежным предсказание результатов эксперимента и его экстраполяцию к реакторным условиям. Другое достоинство ГДЛ - возможность обеспечить гидродинамическую устойчивость плазмы в рамках осесимметричной конфигурации. Эти теоретические выводы уже подтверждены экспериментально. Газодинамическая ловушка имеет перспективы как в чисто реакторном плане, так и в качестве основы для создания материаловедческого источника термоядерных нейтронов.

На установке ГДЛ инжекция атомарных пучков дейтерия с суммарной мощностью около 4 МВт позволяет довести давление плазмы в ловушке почти до половины давления удерживающего магнитного поля. Наблюдаемое при этом нейтронное излучение сосредоточено в основном в точках остановки быстрых дейтронов, инжектированных в ловушку под углом 45 градусов. Ведутся работы по дальнейшему увеличению мощности и длительности инжекции с тем, чтобы воспроизвести в эксперименте условия, которые будут в дейтерий-тритиевой плазме нейтронного источника с плотностью потока 14 МэВ-ных нейтронов 0.5 МВт/м 2 . Дальнейшее наращивание инжекции должно повысить плотность нейтронного потока до 2 МВт/м 2 , что требуется для испытания материалов будущего термоядерного реактора-токамака при максимальных нагрузках.

Фото В. Новикова

А. Иванов, д.ф.-м.н., ИЯФ

9 августа 2016 года в 10.40 в Институте ядерной физики СО РАН (проспект Академика Лаврентьева, д. 11, Новосибирск) состоится пресс-подход с ключевыми участниками 11-ой международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы . Они расскажут о последних результатах ведущих научных центров, занимающихся исследованиями в этой области. Например, ученые ИЯФ СО РАН разработали перспективный метод генерации плазмы при помощи мощного микроволнового излучения в крупномасштабной магнитной ловушке открытого типа (ГДЛ). Этот метод позволил успешно провести эксперименты по улучшению удержания плазмы с параметрами термоядерного диапазона. Кроме того, на установке ИЯФ СО РАН был исследован разлёт брызг жидкого вольфрама в термоядерных реакторах будущего.

Участники пресс-подхода:

1. Александр Александрович ИВАНОВ , доктор физико-математических наук, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе.

2. Александр Геннадиевич ШАЛАШОВ , доктор физико-математических наук, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

3. Йосуке НАКАШИМА , профессор, Центр плазменных исследований, Университет г. Цукуба, Япония. (Prof. Nakashima Yousuke, Plasma Research Center, University of Tsukuba, Japan)

4. Тхэхёп О , профессор, Национальный институт термоядерных исследований, г.Тэджон, Корея. (Prof. Lho Taihyeop, National Fusion Research Institute, Daejeong, Korea).

Конференция проходит раз в два года поочередно на площадках научных центров России (Новосибирск, ИЯФ СО РАН), Японии и Кореи. Основные направления, которые будут представлены - физика удержания плазмы в открытых ловушках, системы нагрева для открытых ловушек, плазменные диагностики, взаимодействие плазмы с поверхностью.

Существует несколько вариантов, на основе которых в будущем станет возможным построить термоядерный реактор - токамак, стелларатор, открытые ловушки, конфигурация с обращенным полем и другие. Сейчас наиболее развито направление токамаков, но и альтернативные системы обладают рядом достоинств: они проще технически и могут быть более привлекательны экономически как реактор. Возможно, в будущем токамак будет вытеснен или станет сосуществовать с другими типами ловушек. ИЯФ СО РАН занимается альтернативным направлением - открытыми ловушками для удержания плазмы.

Ранее считалось, что такой тип установок можно рассматривать в большей степени как инструмент изучения фундаментальных свойств плазмы, а также в качестве стендов для поддерживающих экспериментов для первого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Однако последние результаты - нагрев плазмы до температуры 10 миллионов градусов на открытой ловушке ГДЛ (ИЯФ СО РАН, Россия) и демонстрация квазистационарного состояния плазмы на установке С-2 (Tri Alphа Energy, США) - показали, что в альтернативных системах можно достичь гораздо более высоких параметров плазмы, чем считалось.

Наиболее крупные открытые ловушки работают в России, Японии, Китае, Южной Корее и США.

Контакты для аккредитации :

Алла Сковородина,
специалист по связям с общественностью ИЯФ СО РАН,
р.т.+7 383 329-47-55, м.т.+7 913 9354687, e-mail:

Краткая справка о типах моделей термоядерного реактора

Токамак (сокращение от «тороидальная камера магнитная»), замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора и предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы. Токамак разработан и создан для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза и создания термоядерного реактора.

Открытые ловушки - разновидность магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль магнитного поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для открытых ловушек характерна линейная геометрия, причём силовые линии магнитного поля пересекают торцевые поверхности плазмы. Открытые ловушки имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми. Они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магнитного поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, многие разновидности открытых ловушек могут работать в стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе открытых ловушек требует экспериментальных доказательств.

По материалам Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН" 1988, т. 154, с.565.