ИЯФ СО РАН запустил новую установку для создания плазмы с термоядерными параметрами

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН создан прототип плазменной установки — КОТ (компактный осесимметричный тороид). В ней при температуре около ста миллионов градусов будут воспроизведены условия, близкие к тем, которые нужны для протекания термоядерной реакции в промышленном реакторе. В перспективе предполагается создать на ее основе компактный и экономически выгодный источник энергии.

«Это экспериментальная установка, которая должна продемонстрировать возможности максимально эффективного использования магнитного поля для удержания плазмы», — отметил заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Пётр Андреевич Багрянский.

По словам старшего научного сотрудника ИЯФ СО РАН кандидата физико-математических наук Сергея Викторовича Мурахтина, сегодня существует два основных типа установок для магнитного удержания плазмы:  замкнутые и открытые. Первые (токамаки и стеллараторы) хорошо удерживают плазму, но отличаются относительно дорогой магнитной системой. К тому же топология их магнитных поверхностей имеет сложную организацию. Вторые — открытые магнитные ловушки газодинамического типа — характеризуются предельной инженерной простотой и низкой стоимостью. 

«В установке КОТ мы стремились создать такую магнитную конфигурацию, которая сочетала бы в себе достоинства обеих этих установок», — прокомментировал Сергей Мурахтин.

Установка КОТ Установка КОТ

Установка КОТ относится к магнитным ловушкам открытого типа, где плазма удерживается по принципу свободного вытекания газа из сосуда через узкое горлышко. Она отличается инженерной простотой. Ее магнитная система состоит всего из нескольких магнитных катушек (четыре — снаружи, две — внутри вакуумной камеры). Плазма здесь сама будет создавать условия, способствующие увеличению времени удержания. Это возможно благодаря диамагнетизму: способности плазмы ослаблять магнитное поле, в котором она удерживается. При определенных условиях она полностью вытеснит из себя внешнее магнитное поле и как бы окажется в ловушке, созданной ей самой, где и будет находиться до окончания эксперимента. 

Самый важный элемент установки — система атомарной инжекции. Это дорогое изделие полностью изготовлено на экспериментальном производстве ИЯФ.

В ноябре 2021 года состоялся физический пуск КОТ, и уже удалось получить плазму. Ученые планируют достичь параметров, которые бы позволили им успешно захватить атомарные пучки в плазме и накопить достаточный для обращения магнитного поля азимутальный ток. 

Следующим этапом будет ввод в эксплуатацию системы атомарной инжекции. Она создаст нужный азимутальный ток, который обратит ведущее магнитное поле, и в лаборатории появится состояние плазмы FRC (Field-Reversed Configuration). Именно оно минимизирует потери энергии и вещества вдоль силовых линий и делает их замкнутыми сами на себя, как в токамаке. Предполагается, что внутри FRC будет достигнута температура около ста миллионов градусов и концентрация частиц, близкая к той, которая будет наблюдаться в действующем термоядерном реакторе. 

В установке КОТ планируется достичь режима, где давление плазмы сравняется с давлением внешнего магнитного поля, что позволит говорить о максимально возможной эффективности использования ведущего магнитного поля. 

«КОТ не является термоядерной установкой, это прототип, на основе которого будет сформирована экспериментальная база данных для установки следующего поколения — ГДМЛ, — демонстратора технологий термоядерного синтеза на базе газодинамической ловушки, — рассказывает Сергей Мурахтин. — На КОТ мы изучаем сценарии создания и устойчивого удержания FRC, используя водородную плазму, не представляющую радиационной опасности. Если всё получится, то можно будет построить настоящую термоядерную установку, уже с системой радиационной защиты, где будут использоваться вместо водорода его изотопы: дейтерий и тритий», — сказал ученый.

«Наука в Сибири»

Фото Глеба Сегеды