Модернизированный токамак Глобус-М2 заработает в 2018 году 

Ученые из Физико-технического института (ФТИ) им. А.Ф. Иоффе РАН при участии специалистов Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН завершают модернизацию сферического токамака Глобус-М (в дальнейшем – Глобус М2). Установка станет одним из лидеров по удельной мощности нагрева плазмы. Таким образом, появляется возможность испытать аппаратуру для международного экспериментального реактора ИТЭР. Результаты опубликованы в журнале Nuclear Fusion.

«Глобус-М/М2» — уникальный исследовательский комплекс, который работает в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и входит в тройку лидеров среди сферических токамаков, предназначенных для изучения поведения плазмы в лабораторных условиях.  «Цель модернизации установки – увеличить в 2-2,5 раза магнитное поле (с 0,4 Тл до 1 Тл) и ток, протекающий через плазму (с 0,25 до 0,5 МА).

Для получения таких значений необходимо создать новую электромагнитную систему, а также модернизировать источники питания для неё и дооснастить диагностические комплексы и системы дополнительного нагрева установки. Для увеличения нагрева плазмы в дополнение к уже работающему инжектору (мощность – до 1 МВт, энергия – 30 кэВ) был закуплен новый, разработанный специалистами ИЯФ СО РАН (мощность – 1 МВт, энергия – 50 кэВ). При одновременном включении двух инжекторов суммарная мощность нагрева возрастет до двух мегаватт. Такое увеличение параметров приведет к существенному — в несколько раз — росту температуры и давления плазмы», — комментирует доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Василий Гусев, руководитель установки «Глобус-М».

Плазма. Проблема нагрева и удержания. Токамаки

Для запуска реакции термоядерного синтеза необходимо преодолеть силу электростатического отталкивания атомных ядер и сблизить их настолько, чтобы начали действовать силы ядерного притяжения. Плазму (высокоионизованный газ) нужно нагреть до очень высоких температур – 100 миллионов градусов и выше, – при этом ее плотность также должна быть достаточно высокой, не менее 1015 частиц/см3. В этом случае энергия, выделившаяся в результате термоядерной реакции, будет больше, чем та, что тратится на ее создание. Плазма в таком состоянии очень нестабильна, и нужно подобрать подходящий режим работы, чтобы ее удержать. Эту проблему призваны решить экспериментальные термоядерные установки. Самый распространенный вариант – токамак – представляет собой тороидальную вакуумную камеру, снаружи которой установлены катушки с током для создания магнитного поля. Оно необходимо для удержания горячей плазмы. В центре токамака находится индуктор, с его помощью создается вихревое электрическое поле, которое ионизует напускаемый в камеру рабочий газ (дейтерий и тритий), что приводит к возникновению плазмы и кольцевого тока в ней. Протекая по плазме, этот ток вызывает ее нагрев.

Инжектор. Дополнительный источник нагрева плазмы

Нагреть плазму до указанных температур только за счет протекающего по ней тока не удается – требуются дополнительные источники поддержания и нагрева. Один из таких источников – инжектор атомарных пучков большой энергии и мощности. О принципах его работы рассказывает кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Игорь Шиховцев: «В ионном источнике инжектора создается водородная или дейтериевая плазма, из которой извлекается и ускоряется пучок протонов или дейтронов при помощи ионно-оптической системы. Далее пучок попадает в нейтрализатор, где бо́льшая его часть превращается в атомы в результате столкновений с газом (водородом или дейтерием). Оставшаяся на выходе из нейтрализатора ионная компонента отклоняется магнитом и направляется в приемник ионов, а основной атомарный пучок свободно проникает в токамак через магнитное поле удерживающее плазму. В результате взаимодействия с плазмой пучок ионизируется, захватывается магнитным полем, тормозится и передает свою энергию плазме».

Исследования. Перспективы для реактора ИТЭР

Данные, полученные на современных токамаках по всему миру, позволяют существенно улучшить понимание фундаментальных процессов и подготовить базу для создания термоядерного реактора. «В результате модернизации токамака Глобус-М существенно возрастут температура и плотность плазмы, а, следовательно, увеличится и радиационная нагрузка на внутреннюю поверхность разрядной камеры. Таким образом, появляется возможность воспроизводить условия, близкие к тем, что будут в пристеночной области реактора ИТЭР, запуск первой плазмы в котором планируется в 2025 году. ФТИ им. А.Ф. Иоффе отвечает за разработку трех диагностических систем для этой установки. При этом, аппаратуру для нее можно будет испытывать на токамаке Глобус-М2 уже сейчас. Например, здесь будут проводиться испытания системы диагностики плазмы по рассеянию лазерного излучения», — рассказывает Василий Гусев.

По его словам, комплекс также станет площадкой для создания компактного термоядерного источника нейтронов для гибридного реактора – «союза» атомного (распад тяжелых ядер) и термоядерного (синтез тяжелых ядер при слиянии более легких) реакторов. По этой схеме токамак будет выступать в роли генератора нейтронов, которые свободно проникают в атомные ядра и тем самым запускают реакции распада. Еще одно направление исследований – испытания материалов для термоядерного реактора. Эта работа ведется совместно с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.