INP priprema "bombon" RESIN

INP priprema “bombon” RESIN

Anton Sudnikov
"Znanost prve ruke" № 5-6 (76), 2017

Novosibirski fizičari, zajedno sa svojim ruskim i stranim kolegama, rade na stvaranju prvog ITER termonuklearnog reaktora na svijetu, čiji će pokret biti najvažniji korak prema termonuklearnoj energiji budućnosti. ITER – tokamak, zatvorena magnetska instalacija za zatvaranje plazme. Danas u Institutu za nuklearnu fiziku. GI Budker Sibirske podružnice Ruske akademije znanosti također razvija novi format za alternativnu verziju magnetskih zamki – otvoreni tip. Prema riječima znanstvenika, koncept korištenja magnetskog polja s spiralnom simetrijom, koji je stvorio osnovu za stvaranje vijčane mješavine RESIN, omogućit će otvorenim zamkama da postanu jednake gornjim tokamakima u pogledu zatvaranja plazme.

O autoru

Anton Vyacheslavovich Sudnikov – kandidat fizičkih i matematičkih znanosti, viši znanstveni istraživač, Institut za nuklearnu fiziku. GI Budker SB RAS (Novosibirsk). Autor i koautor 24 znanstvenih radova.

Znanstvenici ozbiljno razmišljaju o mogućnosti kontrolirane termonuklearne fuzije nakon testiranja prve vodikove bombe, a prvi zadatak u tom smjeru bio je "privlačenje" plazme visoke temperature.Drugim riječima, bilo je potrebno postići određene parametre temperature, gustoće i vremena zadržavanja ove "zvjezdice" tvari.

Kako zadržati plazmu

Ako na Suncu plazma drži gravitacijsko polje, onda su na Zemlji odlučili raditi s magnetskim poljem. Već 1950. godine, sovjetski fizičari A.D. Saharov i I.Ye. Tamm iznjedrili su ideju stvaranja fuzijskog reaktora temeljenog na načelu magnetskog zatvaranja i predložili koncept zatvorene magnetske zamke. Tako se pojavio tokamak – toroidalna komora s magnetskim zavojnicama, ili jednostavno "bagel" s strujom. Radovi na stvaranju tokamaka vodili su L. A. Artsimovich, šef sovjetskog programa nad kontroliranom termonuklearnom fuzija od 1951. godine.

"Tokamak" je kratica fraze "toroidalna magnetska kamera", koju je predložio student akademika I. V. Kurchatov, I. N. Golovin. Stvoritelj prvog toroidalnog sustava, N. A. Yavlinsky, predložio je zamjenu slova "g" s "k" za eufoniju. Kao takva, ova riječ je uključena u sve jezike svijeta.

Izgrađeno je nekoliko konfiguracija "zatvorenih" zamki, no na T-3 tokamaku je prvo Kurchatov institut dobiveno u Moskvizapanjujuće rezultate za to vrijeme: plazma s temperaturom od preko 10 milijuna ° C! Ti su rezultati prvi put objavljeni na Međunarodnoj konferenciji IAEA o fizici plazme i kontroliranim termonuklearnim reakcijama, koji su se održali u Novosibirsk Academgorodok 1968., a tokamaks su od tada postali temelj svjetskog termonuklearnog programa.

Međutim, nedvosmisleno je reći da je tokamaks "osvojio", to je nemoguće, sve dok ne postoji niti jedna industrijska fuzija. Danas se aktivno istražuju i pokreću druge, kompleksnije uređene zatvorene zamke. stellaratorskoju je predložio amerikanac L. Spitzer 1951. godine, kao i alternativne instalacije – otvorene tipske zamke, U otvorenim geometrijskim zamkama jednostavnim u geometriji, plazma se zadržava u određenom volumenu "uzdužnog" magnetskog polja, a različiti tipovi magnetskih "utikača" i posebni ekspander se koriste kako bi se spriječilo da teče kroz vodove.

Koncept otvorene magnetske zamke predložio je 1953. samostalno dva znanstvenika: GI Budker (USSR) i R. Post (SAD). Šest godina kasnije, valjanost ove ideje potvrđena je u eksperimentu S. N.Rodionov, djelatnik novonastalog Novosibirsk Instituta za nuklearnu fiziku Sibirske podružnice Akademije znanosti SSSR-a. Od tada, INP je lider u dizajnu, konstrukciji i eksperimentima sa otvorima tipa otvorenog tipa.

U zrcalnoj posudi Budker-Post, posebna konfiguracija magnetskog polja koristi se za ograničavanje plazme. Na dijagramu zrcalne cijevi (na vrhu) prikazuje dio putanje zarobljene čestice. Autor: (Shoshin, 2007)

Naravno, suvremena instalacija znanstvenika iz Novosibirskoga su eksperimentalna, i stoga mala, pulsirana. No, teorijski, ova vrsta magnetske zamke je obećavajuća za upotrebu u industrijskom termonuklearnom reaktoru jer imaju brojne potencijalne prednosti u usporedbi s zatvorenim: oni imaju jednostavnije inženjersko rješenje, veću učinkovitost korištenja energije magnetskog polja, to jest veće učinkovitosti. Štoviše, rad ovih uređaja u stacionarnom načinu, za razliku od tokamaka, ne uzrokuje probleme.

Danas grupa fizičara iz plazmijskih laboratorija INP-a radi na svježoj ideji: koristiti magnetsko polje s spiralnom simetrijom kako bi se suzbijale longitudinalne gubitke plazme iz otvorene zamke,omogućujući kontrolu rotacije plazme. Za test ovog koncepta, razvijena je i izgrađena eksperimentalna RESIN jedinica (Spiralni magnetski otvoreni zamka).

"Mincer" za plazmu

Što je nova otvorena zamka i kako se razlikuje od "progenitor"?

Glavna značajka svih otvorenih zamki je da linije magnetskog polja u njima nisu zatvorene, a plazma se drži u sredini. I na krajevima biljaka, uzduž linije sile, plazma može teći, a naš je zadatak smanjiti taj protok. Za smanjenje gubitaka na krajevima postavljenih zamki magnetskim utikačima, tj., oštro povećavaju snagu magnetskog polja. plinska dinamička zamka (GDL) na ovaj način moguće je vrlo uskočiti vrat boca, odakle plazma teče, ali je nemoguće potpuno izbjeći gubitke.

valoviti zamku (GOL) na svakoj strani ne postoji jedna magnetska cijev, kao u GDL, ali nekoliko ovisno o konfiguraciji. Na primjer, u GOL-3 instalaciji bilo ih je 52, au GOL-NB-14 na svakom kraju. Kao rezultat ovog dizajna, plazma ne samo prolazi kroz glatku cijev, već se, kao da se, trlja protiv "valovitosti" magnetskog polja. Zbog sile trenja brzina protoka postaje niža od zvuka, što znači da će biti manje gubitaka.Budući da je udaljenost između prometnih gužvi kruto postavljena, nemoguće ih je učiniti beskonačno blizu, ali možete povećati duljinu tih višestruki dijelovi.

Instalacija GOL-NB na INP SB RAS, stvorena na osnovi GOL-3 valovite magnetske zamke. Na ovoj i drugim otvorenim zamkama u Institutu provode se eksperimenti za proučavanje fizike plazme.

Kako bi se smanjio brzina protoka plazme, višeslojni dijelovi teoretski bi se trebali doslovno preseliti u središte instalacije. U tom će slučaju sama plazma "stajati", a uz njega će "proletjeti" magnetskim čepovima, stvarajući silu trenja i povlačenjem tvari. Ideja pomicanja prometnih gužvi nastala je istodobno s idejom multi-izlazne zamke, ali u to vrijeme zadaća se smatrala nepraktičnom i neprofitabilnom: da bi se stvorio takav "trčanje" polje, potrebna je nevjerojatna snaga.

Ideja da se "zavarava" stvar, stvoriti takvu konfiguraciju stacionarnog magnetskog polja, tako da se plazma "činilo" da se kreće prema središtu, pojavila se krajem 2012. Kao što znate, plazma u otvorenoj zamki uvijek se okreće, a postoje zadaci kada se treba namjenski okretati , Pitanje je bilo jednostavno: može li se ova rotacija koristiti za nešto drugo?

Ideja je bila stvoriti magnetsko polje u obliku vijka.Zamislite vijak za mljevenje mesa koji pretvara mljeveno meso u pravom smjeru. Slično tome, na obje strane središnjeg pretinca s plazmom nastaje spiralni rezanje polja, ali istodobno se razlikuje – sa desnim i lijevim vijcima. S jedne strane, magnetsko polje vuče plazmu s lijeve strane, s druge strane – s desne strane. Dakle, oba ova krajnja dijela pumpe natrag plazmu. Naravno, nemoguće je u potpunosti riješiti gubitke: kad protok plazme slabi, čestice se čak ne sudaraju jedna s drugom. Ali ako uspijemo napraviti tijek tako rijetko, to znači da smo osvojili faktorom dva u pogledu parametara zatvaranja plazme.

Shema prijelaza plazme unutar spiralne magnetske trape u optimalnom načinu rada. Autor: (Beklemishev, 2015)

Novi koncept omogućuje vam stvaranje instalacije koja se može usporediti u svojim karakteristikama s najboljim tokamaksom. Jedina je poteškoća da je za sada ta ideja teorijska. U studenom 2017. fizički smo pokrenuli instalaciju PIT-a i preselili se u novu fazu – eksperimentalnu.

Za naš jedinstveni eksperiment, toliko je potrebno: jedna magnetska cjevčica, čvor u kojem se stvara plazma, a njezin prijemnik, kao i ekspander, povlačenjem tvari u magnetsko polje.Sada, počevši od instalacije, počeli smo "osjetiti" plazmu i vidjeti kako se njegove karakteristike mijenjaju u različitim načinima rada. Da bismo potvrdili teorijske izračune, moramo pokazati stalan napredak u plazmi u uređaju s spiralnim magnetskim utikačem u usporedbi s konvencionalnim.

Dijagram eksperimentalne magnetske trap s otvorenim vijkom RESIN stvoren na INP SB RAS

Čini se da je korak koji smo poduzeli za poboljšanje konfiguracije otvorenih zamki korak naprijed, jer cijeli svijet danas radi s zamkama zatvorene konfiguracije. Ali nadamo se da ćemo eksperimentalno prikazati prednosti otvorenih obrazaca. A ako je moguće dokazati da, unatoč tehničkim poteškoćama, oblik vijka otvorene magnetske zamke daje značajan dobitak u zatvaranju plazme, tada će se uređaji sljedeće generacije koji se planiraju stvoriti u INP-u opremiti sekcijskim sekcijama. Već vidimo put koji treba poduzeti i praktične primjene naše tehnologije.

Vijčane zamke mogu se koristiti kao izvori neutrona za proučavanje ponašanja materijala u kontaktu s plazmom, stvaranjem potkritičnim (nesposobni samostalno održavati nuklearnu reakciju), ali prvenstveno za stvaranje "konvencionalnih" nuklearnih elektrana. Neke konfiguracije vijčanih zupčanika povećavaju brzinu protoka plazme na 100 km / s, što je preduvjet za motore svemirskih brodova koji prevoze satelite iz geosinkrone orbite, na primjer, u mjesečevu orbitu.

Ugradnja PITCH u fazi montaže. S lijeve strane idesno od sekcije vijaka – spremnici plazma izvora i prijemnika

Nakon jedne ili dvije generacije otvorenih zamki, moći će se razgovarati o stvaranju punoljetnih termonuklearnih reaktora, štoviše, radi na bestritijevim gorivima (na primjer, primjenom reakcije deuterium-deuterija ili sinteze protonskog bora). Tokamaks, s druge strane, rade s deuterium-tritium reakcijom, što uzrokuje ozbiljan problem zaštite od zračenja. Bez razloga, toliko pažnje u projektu ITER-a posvećeno je stvaranju iznimno jakih materijala i snažnoj bioraznolikosti. U reaktoru koji djeluje na fuzije reakcije dviju deuterijevih jezgri, radioaktivni tritium se ne ugrađuje na strukture, što svojim sigurnosnim sustavima čini mnogo jednostavnijim.

Prednost fuzijske reakcije sinteze deuterium-tritija je samo u činjenici da čovječanstvo već dobiva termonuklearnu plazmu sa svojom pomoći. Da bi se omogućila druga moguća, manje energično dostupna reakcija, mnogo višeokoVisoka temperatura, gustoća i vrijeme retencije u plazmi, ali takve tehnologije još nisu stvorene.

Svečana ceremonija pokretanja eksperimentalne instalacije PITCH. S lijeva na desno: Ravnatelj Instituta za nuklearnu fiziku SB RAS, akademik P. V. Logachev, gradonačelnik Novosibirsk A. E. Lokot, zamjenik ravnatelja Urednik guvernera regije Novosibirsk A.K. Sobolev, šef Sibirskog teritorijalnog odjela FANO Rusije A. A. Kolovich, predsjednik SB RAS, akademik V.N. Parmon

Međutim, ne govori o reaktorima bez neutrona kao dalekoj budućnosti. U otvorenoj zamci s poboljšanom zadržavanjem plazme, teoretski je moguće postići parametre potrebne za deuterium-deuterijevu reakciju, dok je eksperimentalno dokazano da postoje ozbiljna ograničenja u slučaju tokamaka.

Naravno, naš model "vijaka" i dalje treba provjeravati i optimizirati, što će zahtijevati puno istraživanja i razvoja.No, već je jasno da je ovo početak zanimljive znanstvene povijesti i na kraju čekamo rezultate koji bi mogli biti vrlo važni za termonuklearnu energiju budućnosti.

Publikacija je koristila fotografije iz arhive autora.

Ovaj rad je podržan i od strane Ruske znanstvene znanstvene zaklade 14-50-00080 "Razvoj istraživačkog i tehnološkog potencijala INP SB RAS u području fizike akceleratora, elementarne fizike čestica i kontrolirane termonuklearne fuzije za znanost i društvo".

književnost
1. Beklemishev A. D. helikoidalni sustav za aksijalnu plazmu pumpa u linearnim zamkama // Fusion sci. Technol. 2013. V. 63. N. 1. P. 355-357.
2. Beklemishev A. D. Radijalni i aksijalni transport u sekcijama trap s Helical Corrugation. AIP Zbornik radova. 2016. DOI: 10.1063 / 1.4964191.
3. Beklemishev A. D. Helikalno plazma potisnik // Phys. Plazmama. 2015. V. 22. N. 10. DOI: 10.1063 / 1.4932075.
4. Budker G.I., Mirnov V.V., Ryutov D. D. Gas conference // Međunarodna konferencija o teoriji plazme. Kijev, 1971. Objavio: ITP AS SSSR, 1972, str. 145.
5. Postupaev V.V., Sudnikov A.V., Beklemishev A.D. & Ivanov I.A. Magnetic Traps. Fusion eng. Dizajn. 2016. V. 106. P. 29-33.
6. Sudnikov A.V., Beklemishev A.D., Postupaev V.V. et al. SMOLA uređaj za istraživanje Helical Mirror Concept // Fusion eng. Dizajn. 2017. V. 122. P. 86-93.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: