Российские физики нагрели плазму до температуры десять миллионов градусов на установке ГДЛ, которая может стать альтернативой существующим проектам термоядерного реактора.

Создание источников энергии на основе управляемого термоядерного синтеза – одна из самых актуальных современных научных задач.

Установка «Газодинамическая Ловушка» (ГДЛ), созданная в Новосибирском институте ядерной физики в 1986 году.

Упрощенная схема конфигурации силовых линий магнитного поля в пробкотроне. Спиралью показана траектория движения заряженной частицы, которая не может преодолеть области сближения линий – «пробки».

Существует несколько вариантов возможных термоядерных реакторов – токамак, стелларатор, открытые ловушки, система с обращенным полем и другие. В настоящее время наиболее развито направление токамаков, которое, в частности, используется в известном международном проекте ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor), участие в котором принимает и Россия.

Однако альтернативные системы обладают рядом достоинств: они проще технически и могут быть более выгодны экономически. Возможно, в будущем они смогут вытеснить токамак или, по крайней мере, будут сосуществовать с другими типами реакторов.

Новосибирский Институт ядерной физики (ИЯФ) СО РАН занимается одним из таких альтернативных направлений – открытыми ловушками для удержания плазмы. Открытыми они названы, поскольку имеют линейную, незамкнутую форму, причем линии магнитного поля пересекает торцы плазменной области, которая как бы «открыта» с концов. Для удержания плазмы в них создается особая конфигурация  магнитного поля, линии которого сближаются вблизи торцов, что создает подобие пробки для заряженных частиц. Отсюда, кстати, и другое название таких установок – пробкотроны. Предложил их в 1950-е годы основатель ИЯФ Гирш Будкер.

Долгое время считалось, что такой тип установок обречен иметь очень низкую температуру плазмы, и они могут служить лишь в качестве инструмента изучения фундаментальных свойств плазмы и стендов для поддерживающих экспериментов для ИТЭР. Однако в последние годы исследователи ИЯФ на установке ГДЛ (ГазоДинамическая Ловушка) сумели значительно увеличить температуру нагрева плазмы, а в этом году довели ее до рекордных десяти миллионов градусов по Цельсию. Время удержания плазмы пока составляет миллисекунды

Полученные результаты позволили физикам ИЯФ всерьез задуматься над проектом термоядерного реактора на этой основе, который может быть реализован в течение 20-30 лет. Они полагают, что в дальнейшем температуру можно будет повысить еще сильнее, хотя для поддержания термоядерного синтеза достаточно уже достигнутых значений. Длина такого реактора будет порядка 100 метров, что  очень немного для подобных установок.

Для нагрева плазмы на ГДЛ физики применили электронно-циклотронный способ, основанный на резонансе при взаимодействии сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения с электронами плазмы, когда частота СВЧ излучения близка к частоте вращения электронов в магнитном поле (циклотронной частоте).

Этот способ выгодно отличается простотой системы ввода СВЧ излучения в плазму, возможностью управлять размерами и положением области выделения энергии в плазме и, наконец, ясностью и простотой физической картины нагрева. Это позволяет получать плазму в более контролируемых условиях. Для генерации мощного микроволнового излучения использованы гиротроны, разработанные в нижегородском ИПФ РАН.

На данный момент установка может использоваться для исследований в области материаловедения, поскольку дает большие потоки нейтронов. В частности, используя особый испытательный материаловедческий стенд, исследователи ИЯФ изучают воздействие горячей плазмы на пластины из вольфрама, из которого состоят стенки камеры. При столь высоких температурах даже столь тугоплавкий материал кипит, из него начинают вылетать микрокапли, которые попадают в плазму и могут нарушить работу реактора. Одновременно происходит эрозия пластин вольфрама.

По материалам Институт ядерной физики СО РАН и Российской академии наук