Что такое плазма?

Плазма – это полностью или частично ионизованный газ, в котором суммарный отрицательный заряд частиц равен суммарному положительному заряду. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной средой, или как говорят в физике, плазма обладает свойством квазинейтральности. Плазма считается четвертым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества и является нормальной формой существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше.

Плазма очень распространена во Вселенной. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Но на Земле плазмы очень мало, природный пример – верхний слой атмосферной оболочки Земли, он также образован из плазмы – это так называемая ионосфера. Космические частицы и частицы солнечного ветра ионизуют верхний слой атмосферы, и образовавшаяся плазма удерживается магнитным полем Земли. То есть, это своеобразная земная магнитная ловушка. В период повышенной солнечной активности поток заряженных частиц солнечного ветра деформирует магнитосферу планеты. Вследствие развития гидромагнитных неустойчивостей плазма проникает в верхнюю атмосферу в районе полюсов. Атмосферные газы взаимодействуют с заряженными частицами плазмы, возбуждаются и рождают свечение. Этим обусловлено явление полярного сияния, видимое только на полюсах.

Исследования плазмы как необычного состояния вещества в природе проводятся уже более века, а начиная со второй половины XXвека, в неразрывной связи с «генеральным направлением» физики плазмы – осуществлением самоподдерживающейся управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС).

Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. (Электронвольт (сокращённо эВ или eV) – внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Таким образом, 1 эВ = 1,602 176 487(40) × 10^-19 Дж = 1,602 176 487(40) × 10^-12 эрг). Для сравнения, энергия ионизации водорода – 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Главными реакциями синтеза с участием изотопов легких атомов являются следующие:

причём вероятность двух каналов (D+D) реакции одинакова. Первая реакция – это слияние ядер дейтерия (изотопа водорода с одним дополнительным нейтроном в ядре) и трития (изотопа водорода с двумя дополнительными нейтронами), а вторая – двух ядер дейтерия. Эти реакции в конечном итоге ведут к появлению радиоактивных продуктов, которые образуются во вторичных реакциях с участием термоядерных нейтронов в стенках реактора. Этого недостатка лишена реакция

На Земле ³He (гелий-3) практически отсутствует, однако он обнаружен на поверхности Луны. Если термоядерная энергетика когда-нибудь станет реальностью, то вероятно она будет основана именно на этой реакции. А на сегодняшний день основной реакцией для будущей термоядерной электростанции выбрана реакция (D+T) благодаря высокому энерговыделению и большому сечению реакции.

В настоящее время международное научное сообщество приступило к строительству крупнейшего международного экспериментального термоядерного реактора типа токамак под названием «ИТЭР». В ближайшие десятилетия ИТЭР должен продемонстрировать возможность функционирования самоподдерживающейся управляемой термоядерной электростанции на основе реакции синтеза дейтерия и трития. Однако очевидно, что для дальнейшего развития термоядерной энергетики будущего и строительства таких станций, которые будут работать десятилетиями, уже сегодня нужно отобрать из уже существующих и создать новые надежные материалы, способные на протяжении всего срока службы выдерживать мощные нейтронные потоки. Для проведения испытаний таких материалов необходим мощный источник термоядерных нейтронов. Согласно требованиям специалистов, в области термоядерного материаловедения, плотность потока нейтронов с энергией 14 МэВ в зоне испытаний должна быть порядка 2 МВт/м². Источник нейтронов с таким потоком может быть создан на основе открытой ловушки.

 

Описание установки ГОЛ-3

Идея многопробочного удержания плазмы предложена в 1971 г. Г.И.Будкером, В.В.Мирновым и Д.Д.Рютовым. Многопробочная ловушка – это набор соединенных пробкотронов, формирующих гофрированное магнитное поле. В такой системе заряженные частицы разбиваются на две группы: захваченные в одиночных пробкотронах и пролётные, попавшие в конус потерь одиночного пробкотрона. Если длина пробега частиц меньше размера ловушки, то при движении пролетных частиц через пробкотроны они начинают испытывать силу трения со стороны захваченных, что резко замедляет скорость разлета плазмы: вместо прямолинейного разлета движение частиц становится диффузионным.

Рис. 1.  Гофрированное магнитное поле многопробочной ловушки.

Время удержания плазмы в такой системе значительно возрастает по сравнению с разлетом плазмы в негофрированном соленоиде:

R2L2ivTi=R2Li0 

где 0=LvTi– время разлета плазмы в соленоиде длиной L, R  – пробочное отношение.

В 1972–1973 гг. в Институте ядерной физики СО РАН была создана установка «ЩЕГОЛ», эксперименты на которой подтвердили справедливость идеи многопробочного удержания. В это же время в ИЯФ начались первые в мире эксперименты по нагреву плазмы релятивистскими электронными пучками (установки ИНАР, затем ГОЛ-М). Дальнейшее развитие этих двух идей позволило создать в ИЯФе многопробочную ловушку ГОЛ-3.

Установка ГОЛ-3 состоит из трёх частей: ускорителя У-2, основного соленоида и выходного узла. У-2 вытягивает из взрывоэмиссионного катода и ускоряет в ленточном диоде электроны до энергии порядка 1 МэВ. Созданный мощный (до 50 кА) релятивистский пучок сжимается и инжектируется в основной соленоид, где в дейтериевой плазме с плотностью n = 10¹⁴ – 10¹⁶ частиц в кубическом сантиметре вследствие развития двухпотоковой неустойчивости возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40% своей энергии, передавая её электронам плазмы. Особенностью пучково-плазменного взаимодействия является высокий уровень турбулентности, что приводит к сильному (более 10³ раз) подавлению электронной теплопроводности. Это не даёт электронам плазмы остыть на торцах установки. Темп нагрева очень высокий – за 3 – 4 мкс плазменные электроны нагреваются вплоть до температуры T~5 кэВ, что является мировым рекордом для открытых ловушек. После окончания инжекции пучка (12 мкс) теплопроводность становится классической и электроны быстро остывают.

Рис. 2.  3D-макет установки ГОЛ-3.

Релятивистским пучком ионы не нагреваются, пока экспериментально не был открыт механизм быстрого нагрева ионов (~2003 год). Основной 12-метровый соленоид состоит из 55 пробкотронов длиной 22 см и пробочным отношениемR= B_max/B_min=4,8Тл/3,2Тл=1,5.

Гофрированное магнитное поле модулирует нагрев электронов от двухпотоковой неустойчивости, а подавленная теплопроводность не позволяет электронам выровнять градиенты температуры. В результате появляется модуляция давления плазмы (P = n· T) вдоль установки, что приводит к возникновению встречных плазменных потоков в каждом пробкотроне. В результате происходит очень быстрый (~3 – 4 мкс) нагрев ионов до температуры ~2 кэВ. Данный механизм должен сопровождаться резкими скачками плотности плазмы, которые и были обнаружены методом томсоновского рассеяния луча лазера. Также по колебаниям в отдельных пробкотронах потока термоядерных нейтронов был обнаружен новый класс плазменных колебаний – неустойчивость баунс-осцилляций (колебания частиц между точками остановки в пробкотроне).

Рис. 3.  Неоднородный нагрев электронов и возникающие потоки плазмы.

В плазму инжектируется пучок с током, превышающим предел устойчивости Крускала-Шафранова (для камеры ГОЛ-3 это ~12 кА). Чтобы транспортировка пучка была устойчивой, перед его инжекцией в камере установки с помощью специальной системы создается плазма с небольшим встречным (к пучку) током. После начала инжекции пучка в плазме индукционно наводится встречный ток, почти равный току пучка, но течёт он по поверхности плазменного шнура, так как в центре плазмы летит электронный пучок и вследствие высокого уровня турбулентности возникает высокое сопротивление. Прямолинейный ток формирует вокруг себя азимутальное магнитное поле, которое в сумме с продольным полем соленоида создает винтовое магнитное поле. Разные (по величине и направлению) токи на разных радиусах формируют сложную структуру магнитного поля с широм, подавляющего развитие желобковой неустойчивости, которая должна выбрасывать плазму на стенку. В результате время удержания плазмы составляет около 1 мс, что является значительным достижением, поскольку почти на порядок превышает оценку времени развития в данной плазме желобковой неустойчивости.

После пролёта основного соленоида пучок попадает в выходной узел, который должен принять мощный пучок электронов и поток плазмы и при этом не разрушиться. Для этого магнитное поле в выходном узле делают расходящимся, что в 50 раз уменьшает плотность энергии в пучке, становящуюся ниже порога значительного разрушения материала приёмника. Наличие на выходе установки мощного плазменного потока позволяет проводить эксперименты по облучению материалов для будущих термоядерных реакторов, которые подвергаются огромным тепловым нагрузкам, не достижимым сейчас на других плазменных установках.

Рис. 4.  Осцилляции нейтронного потока в отдельных ячейках.

Хотя сейчас наиболее близки к реакторным параметрам токамаки (у них больше температура и время удержания), благодаря ГОЛ-3 многопробочные ловушки тоже рассматриваются как вариант термоядерного реактора. Плотность плазмы в ГОЛ-3 в тридцать раз выше, чем в среднем у токамаков (плотность плазмы в JET 5 × 10¹³ см^-3), и, в отличие от токамаков, нет ограничений по давлению плазмы. Если давление плазмы будет сравнимо с давлением магнитного поля (5 Тл создаёт давление ~100 атмосфер), то ловушка перейдёт в режим «стеночного» удержания – вытолкнутое из плазмы магнитное поле (плазма – диамагнетик) будет концентрироваться и увеличиваться вблизи стенок камеры и всё равно будет удерживать плазму. Сейчас неизвестно ни одной причины, которая принципиально бы ограничивала рост основных термоядерных параметров (n, T и время удержания) в многопробочных ловушках.

Главная задача, стоящая перед коллективом установки ГОЛ-3, это разработка концепции многопробочного термоядерного реактора и последующая экспериментальная проверка основных положений этой концепции. Оценки показывают, что для многопробочного реактора с Q ~ 1 достаточно длины 60 м и диаметра плазмы ~10 см, это гораздо меньше размеров ИТЭРа. Для подтверждения концепции требуется создать электронные пучки большой длительности (~1 мс), а также системы нагрева плазмы ГОЛ-3 нейтральными пучками. Работа по этим направления уже активно ведётся.

 

Программа исследований

Одной из важных частей УНУ «Комплекс ДОЛ» является многопробочная ловушка ГОЛ-3. Эта установка создана для проведения исследований по физике удержания высокотемпературной плазмы в аксиально-симметричной открытой ловушке с многопробочным (периодически-модулированным по длине, или гофрированным) магнитном поле. Нагрев плазмы до субтермоядерных температур производится при помощи коллективной релаксации мощного релятивистского электронного пучка. Обе упомянутые основные технологии (быстрый коллективный нагрев плазмы электронными пучками и удержание плазмы в многопробочном магнитном поле) являются уникальными, по существу в настоящее время ГОЛ-3 является мировым монополистом и единственной крупной установкой в области исследований по данным научным направлениям. Параллельно исследованиям по физике, на многопробочной ловушке ГОЛ-3 производится также отработка сопутствующих пучковых и плазменных технологий, необходимых для развития научной программы.

Основные инженерные параметры установки ГОЛ-3 и достигнутые на сегодняшний день параметры плазмы приведены ниже в таблице:

Параметры установки ГОЛ-3:

Длина основного соленоида	12 м
Количество катушек основного соленоида с независимым питанием	103
Ток питания катушек основного соленоида	до 12 кА
Магнитное поле в режиме однородного соленоида	до 6 Тл
Магнитное поле в режиме многопробочного соленоида	4,8 / 3,2 Тл
Радиус плазмы в минимумах магнитного поля	до 0,04 м
Энергия электронов релятивистского пучка	до 1 МэВ
Ток электронов релятивистского пучка	до 30 кА
Длительность генерации релятивистского пучка	от 8 до 12 мкс
Плотность тока электронов релятивистского пучка в плазме	1 – 2 кА/см2
Энергия электронов субрелятивистского пучка	до 120 кэВ
Ток электронов субрелятивистского пучка	до 250 А
Длительность генерации субрелятивистского пучка	0,05 – 1 мс
Плотность тока электронов субрелятивистского пучка в плазме	до 300 А/см2
Средняя плотность плазмы по длине установки	1014 – 1016 см-3
Максимальная достигнутая температура электронов	4 кэВ
Максимальная достигнутая температура ионов	3 кэВ
Энергетическое время жизни в оптимальных условиях	до 1 мс
Энерговыделение плазменного потока на поверхности мишени	1 – 5 МДж/м2
Частота генерации микроволнового излучения плазмой	до 0,4 ТГц

 

end faq