Возможно ли создание термоядерного реактора на основе открытой магнитной системы?
На этот вопрос должна дать ответ проектируемая в России газодинамическая многопробочная ловушка (ГДМЛ). Создают такое передовое оборудование при государственной поддержке в Новосибирске. Разрабатываемая установка соединит в себе лучшие наработки Института ядерной физики имени Будкера в области физики плазмы: нагрева с помощью атомарных инжекторов, СВЧ-нагрева, технологий сверхпроводимости, преодоления различных типов неустойчивости. Масштабный исследовательский проект наших ученых является альтернативой токамакам – прототипам термоядерных реакторов, в которых плазма удерживается замкнутым магнитным полем. В самом конце 2023 года завершен этап эскизного проектирования ГДМЛ.
Как сообщают разработчики, их направление работ — это открытые магнитные ловушки (системы с открытым магнитным полем). Технически это более доступная конструкция, у которой есть свои преимущества, главным из которых является возможность работы в стационарном режиме. В Новосибирске работают 4 экспериментальные установки такого типа – КОТ (Компактный осесимметричный тороид), ГДЛ (Газодинамическая ловушка), ГОЛ-NB (Гофрированная ловушка — Neutral beams) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка). Эксперименты на них показали впечатляющие для такого типа результаты по нагреву и времени удержания плазмы. Сейчас на них отрабатываются технологии для создания установки нового поколения ГДМЛ (Газодинамическая многопробочная ловушка).
Размеры ГДМЛ не будут гигантскими: длина около 30 метров. Из других технических характеристик известны параметры магнитного поля – 1,5 Тесла в центре и 20 Тесла в пробках. В стартовой конфигурации магнито-вакуумная система установки будет включать в себя центральную секцию с сильными магнитными пробками и расширители, предназначенные для размещения приемников плазмы. Нагрев плазмы будет осуществляться за счет инжекции мощных пучков нейтральных частиц и дополнительного введения СВЧ-мощности.
Важным отличием установки ГДМЛ от существующих открытых ловушек с нейтральной инжекцией станет достижение квазистационарного режима, при котором потери энергии и частиц из плазмы компенсируются системами нагрева и дополнительной подпитки. Длительность работы большинства систем в стартовой конфигурации, как и время существования плазмы, составит 2 секунды, а длительность нейтральной инжекции – 0.3 секунды. По бытовым меркам это мало, но для эксперимента – достаточно. Физики смогут проверить основные гипотезы: подтвердить, что плазма в такой системе устойчива, и проверить предложенные в Институте ядерной физики имени Будкера технологии увеличения её времени жизни в ловушке.
Также отмечается, что ограничение жизни плазмы 2 секундами позволило значительно упростить конструкцию различных систем установки, сроки реализации проекта и его стоимость. В проект заложена возможность постепенной модернизации отдельных модулей и систем установки и расширения научной программы по мере развития проекта. Модульный принцип строения открытых ловушек делает их ремонтопригодными даже для реакторных масштабов.
Еще один интересный момент. В проекте перспективной системы из Новосибирска заложена идея возможности использования альтернативных топлив для термоядерного реактора. Традиционно рассматривается использование смеси тяжелых изотопов — дейтерия и трития. Такую термоядерную реакцию проще запустить, но большая часть энергии в ней выделяется в виде нейтронов, поэтому реактор становится радиоактивным. Кроме того, тритий отсутствует в природе, и для его наработки придётся применять сложные и дорогостоящие технологии.
В оборудовании, которое создают в Институте ядерной физики имени Будкера, сообщают специалисты организации, «можно очень эффективно использовать магнитное поле и удерживать плазму с большим давлением, в перспективе для неё доступны другие реакции, например, D-D (дейтерий-дейтерий), D-3He (дейтерий-гелий 3) и P-11B (протон-бор 11).
— Чистый дейтерий – это неограниченный ресурс, в отличие от редкого и дорогого трития, он буквально падает на нас с неба. В каждом кубическом метре воды содержится 33 грамма дейтерия, этот источник энергии практически неисчерпаем. Важное практическое приложение проекта – возможность использовать установку в качестве источника нейтронов. Такие устройства востребованы при уничтожении радиоактивных отходов и могут также применяться для производства редких изотопов, — подчеркивает заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Петр Багрянский.
По материалам ИЯФ СО РАН
На схеме вверху — ГДМЛ (Газодинамическая многопробочная ловушка). Общий вид стартовой конфигурации установки: 1 – инжектор атомарного пучка, 2 – соленоид и вакуумная камера центральной секции, 3 – криостат модуля магнитной пробки, 4 – камера нейтральной инжекции, 5 – камера и катушки расширительной секции.
