Эксперименты новосибирских физиков изменили представление о влиянии нейтрального газа на плазму в открытых ловушках

: 08.05.2019

Научная группа Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) впервые показала, что скорость откачки нейтрального газа в вакуумной системе открытой магнитной ловушки может быть уменьшена без роста потерь по сравнению с первоначальной оценкой почти в 100 раз. Результаты эксперимента не только изменят теоретические представления о влиянии нейтрального газа на плазму, но и в будущем помогут упростить и удешевить конструкцию проекта ИЯФ СО РАН класса мегасайенс Газодинамическая многопробочная ловушка (ГДМЛ). Это Инфраструктурный комплекс разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы. Результаты опубликованы в журнале Plasma and Fusion Research.

Главной задачей исследований ИЯФ СО РАН по удержанию плазмы является физическое обоснование термоядерного реактора на основе магнитной ловушки открытого типа, способного работать с топливами, не содержащими радиоактивный тритий. Один из этапов достижения этой цели – создание в ИЯФ СО РАН Инфраструктурного комплекса разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы – ГДМЛ. В проект ГДМЛ будет интегрирован весь объем передовых знаний и технологий в области открытых магнитных систем удержания плазмы, накопленных в Институте и мире.

Для достижения параметров проекта ГДМЛ, в частности, необходимо поддерживать в расширителе магнитной ловушки вакуум с параметрами, гарантирующими ее стабильную и надежную работу.

«Нейтральный газ, неизбежно нарабатывающийся в вакуумной системе, увеличивает потери энергии плазмы и снижает ее температуру, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Елена Солдаткина. – Поэтому вопрос его откачки важен для любого типа открытой магнитной ловушки. Чтобы избавиться от нейтрального газа, необходимо откачивать его из установки со скоростью миллионы литров в секунду, а это серьезно усложняет проект и повышает его стоимость».

На графике показано, что главные параметры плазмы в ГДЛ не меняются вплоть до плотностей, в сто раз превышающих оценочные. Иллюстрация предоставлена Е.Солдаткиной.

В недавних экспериментах на установке ГДЛ (Газодинамическая ловушка) специалисты ИЯФ СО РАН впервые показали, что существующие теоретические расчеты не точны – нейтральный газ в вакуумной системе оказывает меньшее влияние на температуру плазмы, чем предсказывалось, и скорость его откачки может быть уменьшена по сравнению с первоначальной оценкой почти в сто раз.

«Процессы взаимодействия горячей плазмы и холодного газа оказались не так просты, как их описывает теория. Наши эксперименты показали, что плазма при столкновении с нейтральным газом не теряет свои параметры, а пытается «сама за себя постоять», – добавляет Елена Солдаткина. – Она выталкивает газ из горячего центра наружу (к стенкам торцевого бака), то есть берет часть работы по откачке на себя. Так что совсем необязательно откачивать нейтральный газ с такой невероятной скоростью (миллионы литров в секунду), достаточно ста литров в секунду. В будущем это поможет упростить конструкцию ГДМЛ и снизить стоимость всего проекта».

На данный момент в ИЯФ СО РАН разрабатывается собственная, более полная, теория взаимодействия плазмы с нейтральным газом.

мал Расширительный бак установки ГДЛ ИЯФ СО РАН. Фотография предоставлена Е. Солдаткиной

Расширительный бак установки ГДЛ ИЯФ СО РАН. Фотография предоставлена Е. Солдаткиной.

«Предварительные эксперименты на установке ГДЛ показали, что нейтральный газ не проникает в плазму, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Беклемишев. – Чтобы разобраться в причинах, почему этого не происходит, необходимо построить теоретическую модель. Гипотеза, которую мы развиваем, заключается в следующем: нейтральный газ, находящийся в объеме расширителя, при нагреве плазмой и постоянном давлении оттесняется к стенкам, и, таким образом, в плазме его остается довольно мало. Гипотеза простая, но соответствующая ей математическая модель при требуемых параметрах сложна и плохо поддается компьютерным расчетам. На данный момент мы построили самую простую модель, в которой газ представлен в виде твердых шариков, которые сталкиваются с плазмой. Результаты качественно согласуются с тем, что наблюдается в эксперименте, то есть наша модель показывает, что газ действительно вытесняется к стенкам».

По словам Алексея Беклемишева, сейчас в Институте развивается более сложная теория, описывающая кинетику взаимодействия молекул газа между собой снаружи от плазмы. Задача физиков – создать полную теоретическую модель, которая будет учитывать весь диапазон необходимых параметров.

Исследовательские работы проводятся при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых».