Физики Новосибирска работают над созданием прототипа термоядерного реактора

Научные сотрудники Лаборатории бор-нейтронозахватной терапии Физического факультета Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН работают над проектом установки, которая должна стать прототипом будущего термоядерного реактора на основе открытых магнитных систем.

Воплотить в жизнь эту идею исследователи ИЯФ СО РАН планируют с помощью газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). Эта ловушка не только призвана объединить в себе основные достоинства газодинамического и многопробочного удержания, которые активно изучались в ИЯФ СО РАН на протяжении многих лет, но и должна продемонстрировать эффективность нового, пока не исследованного экспериментально, диамагнитного режима, в котором плазменные токи полностью вытесняют магнитное поле из объёма плазмы, формально увеличивая пробочное отношение до бесконечности.

«Данная установка позволит не только изучить физику, необходимую для продвижения к реакторным параметрам, но и станет стендом для отработки ключевых технологий, которые уже в ближайшее время можно использовать для создания нейтронного источника. Такой источник сегодня необходим не только как составная часть гибридного реактора деления, но и как средство для материаловедческих исследований в решении проблемы первой стенки термоядерного реактора», — пояснил ведущий научный сотрудник Лаборатории бор-нейтронозахватной терапии Физического факультета НГУ Игорь Тимофеев.

Предполагается, что ГДМЛ будет размещена в ИЯФ СО РАН. Для проверки основных идей, заложенных в концепцию этой установки, в институте стартовал целый ряд поддерживающих экспериментов на установках ГОЛ-NB, КОТ и СМОЛА. Эти эксперименты призваны воспроизвести те же самые физические процессы, которые должны быть реализованы в ГДМЛ, но только в меньшем масштабе.

Так, эксперимент КОТ (Компактный Осесимметричный Тороид) в ближайшее время должен впервые продемонстрировать возможность полного вытеснения магнитного поля из плазмы и формирования так называемого диамагнитного пузыря в процессе мощной нейтральной инжекции в компактный пробкотрон с расстоянием между магнитными пробками около 60 см.

В свою очередь учёные НГУ планируют как теоретически, так и с помощью численного моделирования исследовать, можно ли в открытой ловушке с магнитными пробками создать и удержать в равновесии плазму с давлением, равным давлению вакуумного магнитного поля, будет ли такое плазменное равновесие устойчиво и удастся ли уменьшить потери частиц и энергии через открытые торцы системы в этом режиме до уровня, при котором открытая ловушка станет привлекательна для создания на её основе термоядерного реактора.

Данное исследование проводится в рамках проекта «Численное моделирование физических процессов в открытой ловушке ГДМЛ». В этом году он получил грантовую поддержку Российского научного фонда. Грант рассчитан на три года.

Разработкой PIC кода займется Игорь Тимофеев и его ученики. Также в проекте участвуют ведущие теоретики ИЯФ СО РАН Алексей Беклемишев и Игорь Котельников, которые вместе со своими учениками будут развивать альтернативные аналитические модели равновесия и устойчивости диамагнитного пузыря.

«Численное моделирование позволит не только объяснить результаты поддерживающих экспериментов, но и установить возможность масштабирования интересующих нас процессов на субреакторные параметры ГДМЛ. Кроме того, сама идея диамагнитного удержания ныне базируется на весьма упрощённой МГД теории и требует верификации с помощью более сложных кинетических моделей», — рассказал Игорь Тимофеев.

Для моделирования процессов формирования плазменных равновесий с предельным давлением учёные планируют на основе метода частиц в ячейках создать новый неявный электромагнитный 3D-код с точным сохранением энергии и заряда. Этот код будет рассчитывать кинетику не только ионов, но и электронов плазмы. Кроме того, он позволит самосогласованно описывать не только процессы захвата нейтральных пучков в плазму и вытеснения магнитного поля из-за роста ее давления, но и процессы развития различных микро- и макронеустойчивостей плазмы, которые будут определять потери частиц и энергии из ловушки.

«Наша цель — создать численный код, который с помощью одной и той же разностной схемы при относительно больших временных шагах сможет воспроизводить и точную кинетику электронов на участках с полностью вытесненным магнитным полем, и дрейфовое движение их ларморовских центров в сильным полях магнитных пробок. Первым шагом на этом пути стала разработка совместно с Евгением Берендеевым полунеявного PIC кода, в котором мы смогли пренебречь плазменной частотой, но были вынуждены разрешать циклотронное вращение электронов.

-Первые расчёты с помощью этого кода уже показали интересные результаты —токовый слой на границе диамагнитного пузыря оказался неустойчивым относительно дрейфовых возмущений на гармониках ионно-циклотронной частоты, а цилиндрические плазменные равновесия с размером плазмы порядка ионного гирорадиуса в однородном магнитном поле показали возможность превышения МГД предела β=1 на 15% из-за сильной негиротропности давления плазмы в переходном слое. Создание полностью неявного кода, допускающего плавный переход от точной кинетики электронов в незамагниченной плазме к их дрейфово-кинетическому описанию в сильных магнитных полях, станет весьма значимым результатом, поскольку откроет возможность полномасштабного моделирования не только термоядерных экспериментов, но и различных явлений в космической плазме, таких, как магнитное пересоединение, натекание солнечного ветра на магнитосферу Земли и другие», — объяснил Игорь Тимофеев.

В ходе исследований учёные рассчитывают получить ответ на вопрос об эффективности удержания плазмы в открытой ловушке в так называемом диамагнитном режиме, когда давление плазмы достигает давления вакуумного магнитного поля, а потери сосредоточены в узком переходном слое или являются неадиабатическими. Это позволит сформулировать конкретные рекомендации по строительству в ИЯФ СО РАН установки ГДМЛ — первого прототипа термоядерного реактора на основе аксиально симметричных магнитных систем.