Тихий термоядерный переворот.
Наверное нет ни одного поля человеческой деятельности, столь полной разочарований и отвергнутых героев, как попытки создать термоядерную энергетику. Сотня концепций реакторов, десятки команд, которые последовательно становились фаворитами публики и госбюджетов, и наконец вроде определившийся в победитель в виде токамаков. И вот опять - достижения новосибирских ученых возрождают интерес по всему миру к концепции, жестоко растоптанной в 80х. А теперь подробнее.
Открытая ловушка ГДЛ, на которой получены впечатляющие результаты
Среди всего многообразия предложений, как же извлекать энергию из термоядерного слияния больше всего ориентируются на стационарное удержание относительно неплотной термоядерной плазмы. Например проект ИТЭР и шире - тороидальные ловушки токамаки и стеллараторы - именно отсюда. Тороидальные они потому что это простейшая форма замкнутого сосуда из магнитных полей (из-за теоремы о причесывании ежа сферический сосуд сделать не получится). Однако на заре исследований в поле управляемого термоядерного синтеза фаворитами выглядели не ловушки сложной трехмерной геометрии, а попытки удержать плазму в так называемых открытых ловушек. Это обычно тоже магнитные сосуды циллиндрической формы в которых плазма хорошо удерживается в радиальном направлении и утекает с обоих концов. Идея изобретателей тут проста - если нагрев новой плазмы термоядерной реакцией будет идти быстрее, чем расход тепла с утекающей с концов - то и бог с ним, с открытостью нашего сосуда, энергия будет вырабатываться, а утечка все равно будет происходить в вакуумный сосуд и топливо будет гулять в реакторе, пока не сгорит.
Идея открытой ловушки - магнитный циллиндр с пробками/зеркалами на концах и расширителями за ними.
Кроме того, во всех открытых ловушках применяются те или иные способы задержать плазму от вылета через концы - и самый простой здесь - это резко усилить магнитное поле на концах (поставить магнитные “пробки” в отечественной терминологии или “зеркала” в западной), при этом налетающие заряженные частицы будут, фактически, отпружинивать от зеркал-пробок и только небольшая часть плазмы будет проходить сквозь них и попадать в специальные расширители.
И чуть менее схематическое изображение - добавляется вакуумная камера, в которой летает плазма, и всякое оборудование.
Первый эксперимент с “зеркальной” или “открытой” ловушкой - Q-cucumber был поставлен в 1955 году в американской Lawrence Livermore National Laboratory. На долгие годы эта лаборатория становится лидером в развитии концепции УТС на базе открытых ловушек (ОЛ).
Первый в мире эксперимент - открытая ловушка с магнитными зеркалами Q-cucumber
По сравнению с замкнутыми конкурентами в плюсы ОЛ можно записать гораздо более простую геометрию реактора и ее магнитной системы, а значит - дешевизну. Так, после падения первого фаворита УТС - Z-pinch реакторов открытые ловушки получают максимальный приоритет и финансирование в начале 60х годов, как обещающие быстрое решение за небольшие деньги.
Начало 60х, ловушка Table Top
Однако тот самый Z-pinch пошел в отставку не случайно. Его похороны были связаны с проявлением природы плазмы - нестабильностями, которые разрушали плазменные образования при попытке сжать плазму магнитным полем. И именно эта, плохо изученная 50 лет назад особенность сразу начала раздражающе мешать экспериментаторам с открытыми ловушками. Желобковые неустойчивости заставляют усложнять магнитную систему, вводя кроме простых круглых соленоидов “палки Иоффе”, “бейсбольные ловушки” и “катушки инь-янь” и снижать отношение давления магнитного поля к давлению плазмы (параметр β).
"Бейсбольный" сверхпроводящий магнит ловушки Baseball II, середина 70х
Кроме того, утечка плазмы через магнитные пробки идет по разному для частиц с разной энергии, что приводит к неравновесности плазмы (т.е. немаксвелловскому спектру скоростей частиц), что вызывает еще ряд неприятных неустойчивостей. Эти неустойчивости в свою очередь “раскачивая” плазму ускоряют ее уход через концевые пробкотроны.В конце 60х годов простые варианты открытых ловушек достигли предела по температуре и плотности удерживаемой плазмы, и эти цифры были намного порядков меньше нужных для термоядерной реакции. Проблема в основном заключалась в быстром продольном охлаждении электронов, на которых затем теряли энергию и ионы. Нужны были новые идеи.
Успешнейшая амбиполярная ловушка TMX-U
Физики предлагают новые решения, связанные прежде всего с улучшением продольного удержания плазмы: амбиполярное удержание, гофрированные ловушки и газодинамические ловушки.
- Амбиполярное удержание базируется на том факте, что электроны “вытекают” из открытой ловушки в 28 раз быстрее ионов дейтерия и трития, и на концах ловушки возникает разность потенциалов - положительный от ионов внутри и отрицательный снаружи. Если на концах установки сделать усиления поля с плотной плазмой, то амбиполярный потенциал в плотной плазме будет удерживать внутреннее менее плотное содержимое от разлета.
- Гофрированные ловушки создают на конце “ребристое” магнитное поле, на котором разлет тяжелый ионов тормозиться из-за “трения” об запертые в “впадинах” поля ловушки.
- Наконец газодинамические ловушки создают магнитным полем аналог сосуда с маленькой дырочкой, из которого плазма вытекает с меньшей скоростью, чем в случае “зеркал-пробок”.
Интересно, что все эти концепции, по которым были построены экспериментальные установки потребовали дальнейшего усложнения инженерии открытых ловушек. Прежде всего, здесь впервые в УТС появляются сложные ускорители нейтральных пучков, которые нагревают плазму (в первых установках нагрев достигался обычным электрическим разрядом) и модулируют ее плотность в установке. Добавляется и радиочастотный нагрев, впервые появившийся на рубеже 60х/70х в токамаках. Строятся крупные и дорогие установки Gamma-10 в Японии, TMX в США, АМБАЛ-М, ГОЛ и ГДЛ в Новосибирском ИЯФе.
Схема магнитной системы и систем нагрева плазмы Gamma-10 хорошо иллюстрирует как далеко ушли от простых решений ОЛ к 80-м годам.
Параллельно, в 1975 на ловушке 2Х-IIB американские исследователи первыми в мире достигают символичной температуры ионов в 10 кЭв - оптимальной для протекания термоядерного горения дейтерия и трития. Надо заметить, что в 60е и 70е прошли под знаком погони за нужной температуры хоть каким путем, т.к. температура определяет, заработает ли реактор вообще, тогда как два других параметра - плотность и скорость утечки энергии из плазмы (или чаще это называют “временем удержания”) можно компенсировать увеличением размера реактора. Однако несмотря на символическое достижение, 2Х-IIB была очень далеко от того, что бы называться реактором - теоретическая выделяемая мощность составляла бы 0,1% от затрачиваемой на удержание и подогрев плазмы. Серьезной проблемой оставалась низкая температура электронов - порядка 90 эВ на фоне 10 кЭв ионов, связанная с тем, что так или иначе электроны охлаждались о стенки вакуумной камеры, в которой расположена ловушка.
Элементы ныне не работающей амбиполярной ловушки АМБАЛ-М
В начале 80х приходится пик развития этой ветви УТС. Пиком развития становится американский проект MFTF стоимостью в 372 млн долларов (или 820 млн в сегодняшних ценах, что приближает проект по стоимости к такой машине как Wendelstein 7-X или токамаку K-STAR).
Сверхпроводящие магнитные модули MFTF...
И корпус ее 400 тонного концевого сверхпроводящего магнита
Это была амбиполярная ловушка со сверхпроводящими магнитами, в т.ч. шедевральными концевыми “инь-янь”, многочисленными системами и подогрева диагностики плазмы, рекордная по всем параметрам. На нем планировалось достичь Q=0,5, т.е. энерговыход термоядерной реации всего в два раза меньше затрат на поддержание работы реактора. Каких же результатов достигла эта программа? Она была закрыта политическим решением в состоянии, близком к готовности к запуску.
Концевой "Инь-Янь" MFTF во время монтажа в 10-метровой вакуумной камере установки. Ее длина должна была достигать 60 метров.
Не смотря на то, что это шокирующее со всех сторон решение очень сложно объяснить, я попробую.
К 1986 году, когда MFTF была готова к запуску на небосклоне концепций УТС зажглась звезда другого фаворита. Простая и дешевая альтернатива “забронзовевшим” открытым ловушкам, которые к этому моменту стали слишком сложными и дорогими на фоне изначальной концепции начала 60х Все эти сверхпроводящие магниты головоломных конфигураций, инжекторы быстрых нейтралов, мощные радиочастотные системы нагрева плазмы, головоломные схемы подавления нестабильности - казалось, что никогда такие сложные установки не станут прообразом термоядерной электростанции.
JET в первоначальной лимитерной конфигурации и медными катушками.
Итак токамаки. В начале 80х годов эти машины достигли параметров плазмы, достаточной для горения термоядерной реакции. В 1984 году пущен европейский токамак JET, который должен показать Q=1, и он использует простые медные магниты, его стоимость составляет всего 180 млн долларов. В СССР и Франции проектируют сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратят энергию на работу магнитной системы. В то же время физики, работающие на отрытых ловушках годами не могут добиться прогресса в повышении устойчивости плазмы, электронной температуры, и обещания по достижениям MFTF становятся все более расплывчатыми. Следующие десятилетия, кстати, покажут, что ставка на токамаки оказалась сравнительно оправданной - именно эти ловушки дошли до уровня мощностей и Q, интересных энергетикам.
Успехи открытых ловушек и токамаков к началу 80х на карте "тройного параметра". JET достигнет точки слегка выше "TFTR 1983" в 1997 году/
Решение по MFTF окончательно подрывает позиции этого направления. Хотя эксперименты в новосибирском ИЯФ и на японской установке Gamma-10 продолжаются, в США закрывают и довольно успешные программы предшественников TMX и 2Х-IIB.
Конец истории? Нет. Буквально на наших глазах, в 2015 году, происходит удивительная тихая революция. Исследователи из института ядерной физики им. Будкера в Новосибирске, последовательно улучшавшие ловушку ГДЛ (кстати, надо заметить, что на западе первенствовали амбиполярные, а не газодинамические ловушки) внезапно достигают параметров плазмы, которые были предсказаны, как “невозможные” скептиками в 80х.
Еще раз ГДЛ. Зеленые цилиндры, торчащие в разные стороны - это инжекторы нейтралов, о которых речь ниже.
Три основные проблемы, похоронившие открытые ловушки - МГД устойчивость в осесимметричной конфигурации (потребовавшая магнитов сложной формы), неравновесность функции распределения ионов (микронеустойчивости), и низкая электронная температура. В 2015 году ГДЛ, при значении бета 0,6 достигла температуры электронов в 1 кЭв. Как это произошло?
Уход от осевой (цилиндрической) симметрии в 60х в попытках победить желобковые и другие МГД-неустойчивости плазмы привел кроме усложнения магнитных систем еще и к увеличению потерь тепла из плазмы в радиальном направлении. Группа ученых, работавших с ГДЛ использовала идею 80х годов по приложению радиального электрического поля, создающего завихренную плазму. Этот подход привел к блестящей победе - при бета 0,6 (напомню, что это отношение давления плазмы к давлению магнитного поля - весьма важный параметр в конструкции любого термоядерного реактор - т.к. скорость и плотность энерговыделения определяются давлением плазмы, а стоимость реактора определяется мощностью его магнитов), по сравнению с токамачной 0,05-0,1 плазма стабильна.
Новые измерительные приборы-"диагностики", позволяют лучше понимать физику плазмы в ГДЛ
Вторая проблема с микронеустойчивостями, вызванная недостатком ионов с низкими температурами (которые вытягиваются с концов ловушки амбиполярным потенциалом) была решена с помощью наклона инжекторов нейтральных лучей под углом. Такое расположение создает вдоль плазменной ловушки пики плотности ионов, которые задерживают “теплые” ионы от ухода. Относительно простое решение приводит к полному подавлению микронеустойчивостей и к значительному улучшению параметров удержания плазмы.
Поток нейтронов от термоядерного горения дейтерия в ловушке ГДЛ. Черные точки - измерения, линии - разннобразные расчетные значения для разного уровня микронестабильностей. Красная линия - микронестабильности подавлены.
Наконец, главный “могильщик” - низкая температура электронов. Хотя для ионов в ловушках достигнуты термоядерные параметры, высокая электронная температура является ключем к удержанию горячих ионов от остыванию, а значит к высоким значением Q. Причиной низкой температуры является высокая теплопроводность “вдоль” и амбиполярный потенциал, засасывающий “холодные” электроны из расширителей за концами ловушки внутрь магнитной системы. До 2014 года электронная температура в открытых ловушках не превышала 300 эВ, а в ГДЛ было получено психологически важное значение в 1 кЭв. Оно получено за счет тонкой работы с физикой взаимодействия электронов в концевых расширителях с нейтральным газом и поглотителями плазмы.
Это переворачивает ситуацию с ног на голову. Теперь уже простые ловушки снова угрожают первенству токамаков, достигших монструозных размеров и сложности ( несколько примеров сложности систем ИТЭР). Причем это мнение не только ученых из ИЯФ, но и серьезных американских ученых, опубликованное в авторитетных журналах.
Еще ГДЛ вблизи. За фотографии спасибо dedmaxopka
Пока впрочем успехи ГДЛ привели к новым предложениям по установкам только в самом ИЯФ. Выиграв грант Минобрнауки в 650 млн рублей, институт построит несколько инженерных стендов,в рамках перспективного ректора "ГДМЛ-U", объединяющего идеи и достижения ГДЛ и способ улучшения продольного удержания ГОЛ. Хотя под влиянием новых результатов образ ГДМЛ меняется, но она остается магистральной идеей в области открытых ловушек.
Где находятся текущие и будущие разработки по сравнению с конкурентами? Токамаки, как известно, достигли значения Q=1, решили множество инженерных проблем, перешлю к строительству ядерных, а не электрических установок и уверено движутся к уже скорее прообразу энергетического реактора с Q=10 и термоядерной мощностью до 700 МВт (ИТЭР). Стеллараторы, отстающие на пару шагов переходят от изучения принципиальной физики и решению инженерных проблем при Q=0.1, но пока не рискуют заходить на поле истинно ядерных установок с термоядерным горением трития. ГДМЛ-U могла бы быть похожа на стелларатор W-7X по параметрам плазмы (будучи, однако, импульсной установкой с длительностью разряда в несколько секунд против получасовой в перспективе работы W-7X), однако за счет простой геометрии ее стоимость может быть в несколько раз меньше немецкого стелларатора.
Оценка ИЯФ.
Есть варианты использования ГДМЛ в качестве установки для исследования взаимодействия плазмы и материалов (таких установок, впрочем, довольно много в мире) и в качестве термоядерного источника нейтронов для разных целей.
Экстраполяция размеров ГДМЛ в зависимости от нужного Q и возможных применений.
Если же завтра открытые ловушки вновь станут фаворитами в гонке к УТС, можно было бы рассчитывать, что за счет меньших капвложений в каждый этап, к 2050 году они догонят и перегонят токамаки, став сердцем первых термоядерных электростанций. Если только плазма не преподнесет новые неприятные сюрпризы...