Как удержать плазму в 100 миллионов градусов и не расплавить токамак? Российские физики нашли способ управлять краевой нестабильностью

Управляемый термоядерный синтез базируется на удержании сверхгорячей плазмы внутри вакуумной камеры с помощью мощных магнитных полей. Чтобы реакция слияния ядер дейтерия и трития стала возможной и энергетически выгодной, плазму необходимо разогреть до десятков миллионов градусов и поддерживать в стабильном состоянии. Самым эффективным сценарием работы для современных установок типа токамак является режим так называемого высокого удержания.

В этом режиме на периферии плазменного шнура самопроизвольно формируется транспортный барьер — слой с очень высокой плотностью, который работает как мощный теплоизолятор. Он резко снижает потери энергии, позволяя центральной части плазмы накапливать тепло. Однако именно этот изоляционный слой порождает одну из главных инженерных и физических проблем современной термоядерной энергетики.

Физика краевых нестабильностей

По мере того как барьер удерживает энергию, разница давлений между горячим центром плазмы и ее более холодной границей непрерывно растет. Этот перепад давления (градиент) не может увеличиваться бесконечно. В определенный момент предел прочности магнитного удержания на краю преодолевается, и происходит резкий сброс накопленной энергии и частиц наружу. В физике плазмы этот процесс классифицируется как ELM (Edge Localized Modes — краевые локализованные моды).

Крупные нестабильности (обозначаемые как Type-I ELMs) носят разрушительный характер. За доли миллисекунды они выбрасывают на внутренние стенки реактора до пятой части всей энергии плазменного шнура. Такие тепловые удары приводят к быстрой эрозии и плавлению вольфрамовых и бериллиевых компонентов облицовки камеры. Для будущих промышленных реакторов и строящегося международного проекта ITER подобные крупные выбросы недопустимы — они физически уничтожат установку.

Казалось бы, логичным шагом должно стать полное подавление любых выбросов. Но эксперименты показали, что абсолютно идеальная изоляция также губительна для реактора. Если плазма перестает сбрасывать часть своего объема, внутри нее начинают накапливаться тяжелые примеси (например, частицы материала стенок) и «зола» от самой термоядерной реакции. Эти примеси быстро охлаждают ядро, и реакция синтеза прекращается.

Решением проблемы оказался компромисс: переход к режимам с малыми ELM. Суть метода в том, чтобы заставить плазму сбрасывать избыточное давление не редкими разрушительными импульсами, а тысячами мелких, высокочастотных выбросов. Они не обладают достаточной энергией, чтобы повредить стенки реактора, но при этом эффективно очищают пограничный слой от тяжелых примесей, поддерживая непрерывность реакции.

Детальную физику этих процессов недавно исследовали российские ученые из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Санкт-Петербургского политехнического университета на сферическом токамаке «Глобус-М2».

Геометрия и динамика плазменного сброса

Сферические токамаки отличаются от традиционных реакторов геометрией: плазменный шнур в них имеет форму не вытянутого бублика, а скорее яблока без сердцевины. Такая конфигурация позволяет создавать высокое давление плазмы при относительно компактных размерах установки и сильном магнитном поле. Изучение процессов, которые длятся микросекунды в тонком пограничном слое, требует синхронной работы целого комплекса диагностических приборов.

Данные, полученные с помощью метода лазерного зондирования (томсоновского рассеяния), показали четкую границу влияния малых ELM. Во время микровыброса ядро плазмы, где должна протекать основная термоядерная реакция, остается абсолютно стабильным. Все изменения локализованы на самом краю.

За пределами так называемой последней замкнутой магнитной поверхности — условной границы, отделяющей удерживаемую плазму от той, что уходит на стенки реактора, — наблюдается кратковременный скачок параметров. В момент малого срыва температура и плотность электронов в этой внешней зоне (скрейп-офф слое) систематически возрастают почти на 50%.

При этом выброшенная масса не распределяется равномерно. Высокоскоростные камеры, способные фиксировать сотни тысяч кадров в секунду, показали, что плазма фрагментируется. На краю шнура образуются филаменты — плотные структуры, вытянутые вдоль силовых линий магнитного поля. Диаметр каждого такого филамента составляет около трех сантиметров. Отделившись от основного объема, эти плазменные жгуты начинают двигаться вниз, направляясь к дивертору — специальному приемному устройству реактора, предназначенному для откачки выхлопа. Скорость их направленного движения составляет от 3 до 10 километров в секунду.

Электрические поля и ускорение частиц

Помимо структурных изменений, малые ELM вызывают серьезную перестройку электродинамики пограничного слоя. Исследователи применили методы микроволновой радиолокации, основанные на эффекте Доплера, чтобы измерить скорость вращения плазмы на краю реактора.

В периоды между выбросами плазма вращается перпендикулярно силовым линиям с относительно низкой скоростью — в среднем около 125 метров в секунду. Однако в момент возникновения малой нестабильности эта скорость резко, на порядок, возрастает, достигая значений до 5 километров в секунду. Зона ускоренного вращения проникает на 7 сантиметров вглубь плазменного шнура. Столь резкое изменение вектора и скорости вращения свидетельствует о сильных флуктуациях радиального электрического поля на границе плазмы.

Эти мощные, хоть и кратковременные, электрические поля приводят к еще одному важному физическому эффекту — локальному ускорению частиц. Для нагрева плазмы в токамак инжектируются пучки нейтральных атомов (в данном эксперименте их энергия составляла 46 килоэлектронвольт, или кэВ). Попадая в плазму, они ионизируются и отдают свое тепло.

Детекторы нейтральных частиц зафиксировали, что во время микровыбросов из реактора вылетают быстрые ионы, энергия которых достигает 52 кэВ. Это означает, что возмущенные электрические поля в пограничном слое успевают дополнительно разогнать эти ионы (придав им дополнительные 6 кэВ энергии) перед тем, как те покинут пределы магнитного удержания.

Одновременно с этим из плазмы выбрасываются так называемые сверхтепловые электроны. Пересекая границу удержания, они ударяются о элементы конструкции реактора. Этот процесс сопровождается короткими всплесками жесткого рентгеновского излучения, интенсивность которого во время ELM возрастает в шесть раз по сравнению с фоновым значением. Измерение этих рентгеновских всплесков стало дополнительным маркером, подтверждающим изменение структуры магнитного и электрического полей на периферии токамака.

Значение для будущей энергетики

Результаты комплексного исследования на установке «Глобус-М2» доказывают, что режим с малыми краевыми нестабильностями не является дефектом или нарушением работы реактора. Напротив, это сложный, многосоставной физический механизм перераспределения энергии и частиц.

Несмотря на малый масштаб каждого отдельного выброса, они оказывают существенное влияние на электродинамику периферийной зоны: меняют профиль плотности, перестраивают электрические поля, ускоряют часть ионов и формируют направленные потоки филаментов в сторону дивертора. При этом фундаментальное условие для термоядерного синтеза — стабильность горячего ядра — сохраняется в полной мере.

Длительная работа промышленных реакторов потребует постоянного управляемого сброса избыточного давления и очистки рабочей среды. Понимание точной механики того, как формируются филаменты, как изменяются токи и электрические поля во время высокочастотных выбросов, дает инженерам необходимую физическую базу. Именно эти данные будут использоваться для настройки алгоритмов магнитного управления на реакторах следующего поколения, обеспечивая непрерывное горение плазмы при сохранении целостности физической структуры самой электростанции.

Источник:Physics of Plasmas