Сотрудники Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе исследовали, как происходит теплообмен в плазме сферического токамака Глобус-М — уникальной научной установки для термоядерного синтеза. Эти знания помогут в дальнейшем создать неисчерпаемый источник энергии для населения Земли. Результаты представлены в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Работа поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.
«Мы подтвердили, что особенности физических процессов в плазме сферического токамака Глобус-М препятствуют возникновению дополнительных потерь тепла по ионному каналу из-за турбулентности плазмы. Это значит, что установка такого типа является хорошей основой для создания компактного источника термоядерных нейтронов», — рассказывает Глеб Курскиев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физики высокотемпературной плазмы Физико-технического института.
В реакциях термоядерного синтеза получают более тяжелые атомы из легких радиоактивных аналогов водорода, дейтерия и трития. Газ легких элементов нагревают до температуры в 100 миллионов градусов, что позволяет образовать плазму — газ из заряженных частиц: ионов и электронов. Однако, чтобы удержать плазму внутри установки, требуется сильное магнитное поле. Для этого нужны специальные установки — токамаки, которые опоясаны катушками, проводящими электрический ток и создающими такое поле. Внутри установки разогретые ионы плазмы сталкиваются друг с другом и образуют гелий и нейтроны с очень высокой энергией, как это происходит в недрах Солнца. При этом энергия нейтронов превышает затраты на разогрев плазмы, что позволяет получать эту разницу в виде энергии для промышленного использования. Термоядерные электростанции признают безопасными и экологичными: по сравнению с атомными в них не происходит взрывных реакций, а в отличие от сжигания углеводородов — нет выбросов углекислого газа и оксидов азота, способствующих глобальному потеплению и загрязняющих окружающую среду. Более того, полученные при термоядерном синтезе нейтроны могут разрушать радиоактивные отходы на атомных электростанциях.
Термоядерный синтез тем эффективнее, чем лучше нагрев плазмы, а это требует сильного магнитного поля и электрического тока, протекающего по плазме. Наоборот, турбулентность ионов плазмы мешает эффективному нагреву: вместо полезных столкновений ионы отклоняются и уходят из плазмы, что нарушает ее теплоизоляцию. В своей работе ученые оценили степень переноса тепла в сферическом токамаке Глобус-М в
«Экспериментально подтвержденная модель для расчета параметров нагрева плазмы позволит спроектировать компактный источник высокоэнергичных нейтронов, которые можно использовать для деления тяжелых ядер. В процессе также можно получать энергию. Наше исследование существенно ускорит разработку и внедрение более эффективных ядерных систем, использующих процессы как синтеза, так и деления», — поясняет Глеб Курскиев.
В 70-х годах прошлого века была разработана неоклассическая теория диффузии, которая описывает перенос тепла в токамаке для случая редких взаимодействий между заряженными частицами. В своей работе ученые моделировали процессы теплопереноса в сферическом токамаке и сравнили результаты этого моделирования с экспериментальными данными. Выяснилось, что перенос тепла внутри токамака Глобус-М хорошо описывается неоклассической теорией диффузии в отличие от установок с большим аспектным отношением, где преобладает турбулентный перенос. Это означает, что потеря энергии из-за взаимодействия ионов друг с другом минимальна, а достижимые значения температур и выход высокоэнергетических нейтронов максимальны. Ученые полагают, что магнитное поле внутри прибора, которое поддерживает расположение плазмы в установке, еще и стабилизирует потоки ионов.
Исследование ученых дополняет фундаментальные знания, полученные в экспериментах на похожих европейских и американских установках. Объединив результаты с разных машин, в дальнейшем можно будет спроектировать более совершенное устройство для ядерных реакций синтеза.