Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 64

К оглавлению

Опубликовано14 апреля 2011 года

Старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Беклемишев рассказывает о проекте новой установки по удержанию плазмы — газодинамической многопробочной ловушке (ГДМЛ). Возможно, её создание станет первым шагом к термоядерному реактору на основе открытой ловушки. Если ГДМЛ будет работать так, как это предсказывает теория, токамаки отдадут пальму первенства в области управляемого термоядерного синтеза открытым ловушкам, ведь последние, предположительно, будут в несколько раз дешевле при той же эффективности.

- В чём заключается проблема термоядерной энергетики?

- Проблема УТС, управляемого термоядерного синтеза, в принципе, решена. В начале девяностых годов на токамаках JET и TFTR была получена мощность термоядерных реакций, превышающая затраты на нагрев плазмы, и стало примерно понятно, каким может быть энергетический термоядерный реактор. Однако решение на основе существующих технологий и материалов слишком большое, дорогое и никому не нравится. Поэтому в начале девяностых годов центр тяжести был перенесён на технологии, а финансирование физических исследований резко сократили. Параллельно интерес к этой области пропал и у самих физиков, сократился приток студентов. Специалисты есть, но большинство из них предпенсионного возраста. Причём такая ситуация не только в России, но и во всём мире, кроме Китая. Так что первая проблема, с моей точки зрения, — это кадровый закат.

Токамак— установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые способны выдержать её температуру лишь до определённого предела, а специально создаваемым магнитным полем (из " Википедии").

Физика плазмы — наука, построенная на основе классической электродинамики: все исходные уравнения известны, но решения удаётся найти только в некоторых частных случаях. Закон движения каждой частицы в плазме известен. Но как только частиц становится много и они начинают взаимодействовать — получается совсем другая задача. Уравнения, рассчитывающие их движение, не способен решить ни один суперкомпьютер мира. Рассчитать движение одной частицы можно, а когда их 10 23, то и уравнений вам надо решить столько же. Поэтому многие явления мы до конца не понимаем и вынуждены применять феноменологию. Это значит, что мы сначала наблюдаем явление, а уже потом пишем уравнения и анализируем, а не наоборот. Так можно всё объяснить, но мало что предсказать. Физику плазмы можно сравнить с теорией турбулентности. Плазма обычно турбулентна, а её турбулентность ещё сложнее, чем в жидкости. Дело в том, что плазма состоит из электронной и ионной компонент, которые сложным образом взаимодействуют между собой. Так что вторая проблема в том, что объект нашего изучения оказался слишком сложным.

Ещё одна проблема — это размеры экспериментальных установок. Программа токамаков затормозилась из-за того, что они стали очень большими (и, как следствие, дорогими). JET с конца восьмидесятых годов остаётся самым большим действующим токамаком, а следующий шаг — ITER, который будет стоить 16 млрд. евро. В этом смысле больше повезло альтернативным системам — они продолжали оставаться маленькими и поэтому быстрее эволюционировали. Открытые ловушки имеют шанс догнать токамаки, несмотря на то что людей, которые занимаются токамаками, намного больше, чем нас. Просто мы имеем возможность быстрее менять установки. Что касается токамаков, у них тоже есть «мобильное» направление — это сферические системы, которые быстро развиваются за счёт малого размера. Стеллараторы почти догнали токамаки по параметрам, но затормозились по той же причине: стали слишком большими.

- Как устроены открытые ловушки?

- Любое магнитное удержание основано на том, что заряженные частицы в магнитном поле движутся по спирали из-за силы Лоренца, которая их закручивает. Ось спирали направлена вдоль силовой линии, и если мы хотим, чтобы частица оставалась в магнитном поле, самый простой способ — это сделать замкнутую магнитную конфигурацию, тогда частица просто будет бегать по кругу. На таком принципе работают тороидальные ловушки — токамаки и стеллараторы.

Открытые ловушки используют другие принципы. В магнитном поле можно сделать магнитную пробку, то есть усилить его в определённом месте. Тогда спираль, по которой движется частица, сожмётся, как пружинка. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее она сжимается, и в какой-то момент частица отразится — полетит в обратную сторону. Частицы между двумя магнитными пробками могут удерживаться в магнитном поле. Этот принцип называется адиабатическим удержанием, а соответствующие ловушки — зеркальными, или пробкотронами.

Исторически первыми были изобретены ловушки на адиабатическом принципе удержания. Однако оказалось, что работают они плохо. Дело в том, что удерживаются не все частицы, а только те, у которых спираль траектории достаточно крутая. Если же частицы между собой сталкиваются, направление их скорости меняется и рано или поздно они покидают ловушку. Кроме того, оказалось, что плазма всё время «гудит» из-за развития разных неустойчивостей. Это «гудение» тоже рассеивает частицы, причём намного эффективнее, чем просто столкновения. Зеркальные ловушки работали хуже, чем токамаки сравнимого размера, и их закрыли в семидесятых годах. Остались они только у нас и в Японии. Почему? Потому что это уже не простые зеркальные ловушки, а установки на новых принципах. Например, действующая в нашем институте установка ГДЛ (Газодинамическая ловушка) основана на ограничении потока газа через отверстие.

В области пробки силовые линии магнитного поля, вдоль которых частицы вылетают из ловушки, сгущаются. Это значит, что если мы сделаем очень сильную магнитную пробку, то плазма будет вытекать из основной ёмкости через очень маленькую дырочку. Тогда даже если частицы сильно рассеиваются внутри ловушки, их поток будет ограничен. Через сопло может вытечь только определённое количество газа, поскольку в самом узком месте он течёт со скоростью звука. Однако в такой схеме расчётные продольные потери гораздо больше, чем при классическом адиабатическом удержании. Поток плазмы растёт при увеличении рассеяния частиц до тех пор, пока он не будет ограничен «вытеканием через маленькую дырочку». Это удержание по принципу «хуже быть не может». Если рассчитать, какой должна быть длина ловушки, чтобы на таком принципе удержания сделать термоядерную электростанцию, то получится что-то огромное. Поэтому исходно ГДЛ была ориентирована не на энергетику, а на материаловедение, как прообраз источника нейтронов.