Российские физики в полтора раза уплотнили плазму в открытой ловушке
В этом им помогла магнитная винтовая пробка
Физикам из Института ядерной физики имени Будкера удалось в 1,6 раза увеличить плотность плазмы в магнитной открытой ловушке с помощью магнитного поля с винтовой симметрией. Поток истечения вещества при этом уменьшился в десять раз. О своем успехе ученые рассказали в статье, попавшей на обложку журнала Journal of Plasma Physics, а также в пресс-релизе Института.
Авторы проводили свое исследование на экспериментальной установке СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая Ловушка), которую можно представить себе в виде бутылки для плазмы с двумя горлышками. Одним из преимуществ открытых систем по сравнению с ловушками замкнутого типа (токамаками), к которым, например, относится строящийся ныне ИТЭР, стала возможность достичь высокого параметра отношения давления плазмы к давлению магнитного поля. Но при этом плазма может вытекать из концов ловушки.
Для борьбы с этой проблемой ученые устанавливали магнитную винтовую пробку, которая возвращала плазму обратно в центр ловушки. Для увеличения плотности плазмы им также потребовалось оптимизировать параметры ее источника, а также конфигурацию магнитного поля. В будущем физикам из Института ядерной физики имени Будкера предстоит применить эти наработки для удержания плазмы, подходящей для управляемого термоядерного синтеза.
Установка вышла на уровень научной безубыточности
Физики, работающие на установке лазерного термоядерного синтеза NIF, смогли достичь превышения уровня выходной мощности за счет реакций термоядерного синтеза над уровнем затраченной мощности лазерных пучков, идущих на нагрев мишени. Однако это не означает, что установка пригодна в качестве термоядерного реактора, а лишь подчеркивает необходимость дальнейших экспериментов. Статья опубликована в журнале Science. NIF (National Ignition Facility) — самая крупная и мощная установка в мире для экспериментов в области инерциального термоядерного синтеза. Удержание разогретой до термоядерных температур плазмы в установке ведется за счет сил инерции, а не за счет магнитных полей, как в случае токамаков или стеллараторов. Чтобы нагреть небольшую сферическую мишень с дейтерий-тритиевым топливом, используется 192 лазерных луча, общей мощностью до 500 тераватт. Мишень помещена в цилиндрический хольраум, который поглощает излучение лазеров и переизлучает его в виде рентгена, более равномерно нагревая мишень. Поверхность мишени испаряется и возникает ударная волна, которая распространяется к центру мишени. В момент максимального сжатия и нагрева начинаются реакции термоядерного синтеза с образованием альфа-частиц, которые поддерживают температуру смеси. Однако в отличие от магнитных систем удержания весь процесс длится доли секунды, а не десятки или сотни секунд. Эффективность работы термоядерного реактора можно описать параметром Q, который равен отношению тепловой мощности, генерируемой реактором, к затрачиваемой на поддержание его работы мощности. Q должен быть больше единицы, в частности для создаваемого экспериментального реактора на базе токамака ITER расчетное Q составляет 10. Для действующего экспериментального токамака JET это значение составляет 0,33-0,7 для разных экспериментов при времени горения разряда в несколько секунд. В августе прошлого года NIF достиг рекордного Q, равного 0,7, при этом энерговыделение за счет реакций синтеза составило 1,3 мегаджоулей менее чем за 4 миллиардные доли секунды. В начале декабря этого года энерговыделение составило уже 3,15 мегаджоулей при затраченной мощности лазеров в 2,05 мегаджоулей. Таким образом, на этот раз установка действительно достигла стадии научной безубыточности (scientific breakeven), однако до инженерной безубыточности еще очень далеко. Этой стадии NIF также достигал в 2014 году, однако тогда речь шла о мощности, поглощенной мишенью. Кроме того, стоит отметить, что NIF — исключительно экспериментальная установка, которая не является реактором. Ранее мы рассказывали о том, как российские физики завершили монтаж камеры для новой установки инерциального термоядерного синтеза, которая должна быть мощнее NIF.
