Ядерная и углеводородная энергетики

Что из себя представляет новая открытая ловушка, и в чем ее отличие от «прародителей»?
Открытые ловушки отличаются тем, что силовые линии магнитного поля в них не замкнуты и плазма удерживается посередине. Правда, на концах установок, вдоль силовых линий, плазма может вытекать, и наша задача — уменьшить этот поток. Для снижения потерь на концах ловушек ставят магнитные пробки, то есть резко увеличивают силу магнитного поля. В ГДЛ (газодинамической ловушке) таким способом получается очень сильно сузить «горлышки» бутылки, из которой истекает плазма, но полностью избежать потерь невозможно. В ГОЛ (гофрированной ловушке) с каждой стороны стоит несколько магнитных пробок. В такой конструкции плазма как бы трется о «гофрировку» магнитного поля. Из-за силы трения скорость потока становится ниже звуковой, а значит, и потерь будет меньше. В установке ГОЛ-3 их было 52, а в ГОЛ-NB — по 14 на каждом конце. Так как расстояние между пробками четко задано, мы не можем сделать их бесконечно близкими, но можем увеличить длину многопробочных секций. Чтобы уменьшить скорость истечения плазмы, многопробочные секции следовало бы в прямом смысле слова перемещать к центру установки. В таком случае сама плазма будет «стоять», а вдоль нее — «пролетать» магнитные пробки, создавая силу трения и увлекая вещество за собой. Идея двигать пробки возникла одновременно с идеей самой многопробочной ловушки, но тогда задача считалась невыполнимой и нерентабельной: для создания такого «бегущего» поля, нужна невероятная мощность. Мысль «обмануть» вещество, создать такую конфигурацию стационарного магнитного поля, чтобы плазме «казалось», что оно движется к центру, возникла в конце 2012 года.


Есть задачи, когда плазму нужно целенаправленно вращать, для этого и созданы открытые ловушки. Можно ли это вращение использовать для чего-то еще? Представим шнек мясорубки, который крутит мясо в определенном направлении. Идея в том, чтобы создать магнитное поле в виде винта. У нас так же с двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая нарезка поля, но при этом разная — с правым и левым винтом. С одной стороны магнитное поле тащит плазму влево, с другой — вправо. Таким образом, обе эти концевые секции закачивают плазму обратно. Конечно, полностью избавиться от потерь не получится: когда поток плазмы слабеет, частицы друг с другом даже не сталкиваются. Но если удалось сделать поток таким редким, значит, мы на порядок-два выиграли по параметрам удержания плазмы. Новая концепция позволяет создать установку, которая по своим характеристикам может быть сравниться с лучшими токамаками, но эта идея пока теоретическая. В ноябре 2017 года мы перешли к экспериментальному этапу, физически запустив установку СМОЛА. Для нашего уникального эксперимента нужно немного: одна винтовая магнитная пробка, узел, где создается плазма, ее приемник и расширитель, вытягивающий вещество в магнитное поле. Сейчас мы начали «ощупывать» плазму и смотреть, как изменяются ее характеристики на разных режимах работы. Для подтверждения теоретических расчетов нам нужно показать стабильное улучшение характеристик плазмы в устройстве с винтовой магнитной пробкой по сравнению с обычным.
— Над чем сейчас работает ваш коллектив? Каких результатов вы надеетесь достичь на этой установке? Какова ее миссия?



Весь мир сегодня работает с ловушками замкнутой конфигурации, поэтому может возникнуть ощущение, что мы идем куда-то в сторону. Но мы планируем показать экспериментально преимущества открытых форм. Если нам это удастся, если мы подтвердим, что винтовая форма выигрывает в удержании плазмы, то винтовые секции будут встроены и в последующие устройства, которые будут разрабатываться в ИЯФ.
Некоторые конфигурации винтовых ловушек увеличивают скорость потока плазмы до 100 км/с, это базовое условие для двигателей космических кораблей, транспортирующих спутники с геосинхронной орбиты, например, на орбиту Луны.
Мы уже сейчас понимаем, какой путь нам нужно пройти, какое применение нашей технологии возможно. Винтовые ловушки можно использовать в качестве нейтронных источников для исследования поведения материалов при контакте с плазмой, создания подкритичных (неспособных самостоятельно поддерживать ядерную реакцию) реакторов, но в первую очередь для создания обычных термоядерных электростанций.
Мы предполагаем, что спустя одно-два поколения открытых ловушек справедливо будет говорить о создании полноценных термоядерных реакторов, работающих на бестритиевых топливах (например, с использованием реакции синтеза дейтерий-дейтерий или протон-бор).
Дело в том, что токамаки работают с реакцией дейтерий-тритий, что создает проблему защиты от радиации. В проекте ИТЭР особое внимание уделено созданию сверхпрочных материалов и мощной биозащиты. В реакторе, работающем на реакции синтеза двух ядер дейтерия, на конструкциях не оседает радиоактивный тритий, что делает его системы безопасности намного более простыми.
У термоядерной реакции синтеза дейтерий-тритий лишь одно преимущество — человечество уже сейчас получает с ее помощью термоядерную плазму.
Для другой, энергетически менее доступной реакции, требуется большие температуры, время удержания плазмы и плотность. Такие технологии еще не созданы, но говорить о безнейтронных как о далеком будущем, не стоит.
Сейчас экспериментально доказано, что у токамаков есть серьезные ограничения для работы с реакцией дейтерий-дейтерий, а на открытой ловушке теоретически можно достичь необходимых параметров.
Естественно, нашу «винтовую» модель еще нужно тестировать и оптимизировать, для чего необходима масштабная научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа. Но уже сейчас понятно, что это начало интересной научной истории, и в конце нас ожидают результаты, которые могут оказаться крайне важными для термоядерной энергетики будущего.
СМОЛА — это часть какой-то глобальной программы?
Да естественно, на этом наша программа не будет окончена. Нам нужно будет найти режим, в котором будет наиболее удачным удержанием плазмы. Кроме того, нужно будет проверить поведение плазмы на таких режимах, как в реальном термоядерном реакторе. А в нем расстояние от одного столкновения частиц до другого будет сравнительно большим. Нам нужно попытаться таким образом управлять столкновением частиц в схожем с реактором режиме, естественно, на низких температурах, подбором нескольких безразмерных параметров.
Кроме того, есть интересная идея, что кроме торможения плазмы, можем ее ускорять, если изменим направление вращения и направление нарезки винта. В некоторых конфигурациях магнитного поля это ускорение может быть достаточно эффективным. Такой принцип может быть интересен для плазменных двигателей, дальних космических приложений. Но это, естественно, разговор для более поздних экспериментов.