Газодинамическая ловушка
В области пробки силовые линии магнитного поля, вдоль которых частицы вылетают из ловушки, сгущаются. Это значит, что если мы сделаем очень сильную магнитную пробку, то плазма будет вытекать из основной ёмкости через очень маленькую дырочку. Тогда даже если частицы сильно рассеиваются внутри ловушки, их поток будет ограничен. Через сопло может вытечь только определённое количество газа, поскольку в самом узком месте он течёт со скоростью звука. Однако в такой схеме расчётные продольные потери гораздо больше, чем при классическом адиабатическом удержании. Поток плазмы растёт при увеличении рассеяния частиц до тех пор, пока он не будет ограничен "вытеканием через маленькую дырочку". Это удержание по принципу "хуже быть не может". Если рассчитать, какой должна быть длина ловушки, чтобы на таком принципе удержания сделать термоядерную электростанцию, то получится что-то огромное. Поэтому исходно ГДЛ была ориентирована не на энергетику, а на материаловедение, как прообраз источника нейтронов.
Вторая наша ловушка, ГОЛ-3 (Гофрированная открытая ловушка), основана на совсем другом принципе. Это многопробочная ловушка с гофрированным полем, которая состоит из последовательности маленьких пробкотронов. Плазма в ней нагревается коротким импульсом мощного электронного пучка. После нагрева плазма разлетается вдоль ловушки, но медленно, так как поток тормозится из-за рассеяния частиц в пробкотрончиках. Исходная идея состояла в том, что термоядерная реакция могла бы произойти раньше, чем плазма разлетится вдоль трубы. Так что это - принципиально импульсная установка.
ГОЛ-3
Хотя во всём мире открытые ловушки закрыли, эти две остались, и мы существенно продвинулись в понимании их работы. Они работают гораздо лучше, чем ожидалось, а турбулентность улучшает, а не ухудшает их характеристики! Это позволяет нам строить амбициозные планы при почти полном отсутствии конкурентов.
- Какие у открытых ловушек преимущества?
- Одно из основных преимуществ - это большая плотность энергии плазмы, которую можно удержать. Плотность энергии - это произведение плотности плазмы на её температуру. Значит, мы можем работать с горячей и плотной плазмой и получить большой выход термоядерной мощности из малого объёма плазмы. Магнитное поле, которое удерживает плазму, обладает упругостью, пропорциональной квадрату напряжённости поля. Давление плазмы может составлять только какую-то часть полной упругости магнитного поля. Иначе плазма выдавливает магнитное поле, а сама попадает на стенку. Отношение давления плазмы, которое можно удерживать, к давлению магнитного поля в открытых ловушках составляет 60 процентов, такой результат был получен на ГДЛ. В токамаках эта величина составляет всего 5-10 процентов. То есть эффективность применения магнитного поля в токамаках гораздо хуже. Почему это плохо? Потому что объём плазмы, а значит, размер установки становится большим. Особенно это проявляется, если мы хотим использовать DD-реакцию (реакция слияния двух ядер дейтерия) или другие "продвинутые" топлива. В токамаках плотность выделения энергии будет очень маленькой, так как ядра дейтерия взаимодействуют между собой в сто раз слабее, чем с тритием. А чтобы сделать энерговыделение большим, нужно большое давление. Так что DD-реактор возможен только на открытых ловушках и некоторых альтернативных системах, а токамаки на него даже не претендуют.
Немаловажен вопрос конструкции. Токамак имеет форму бублика. Поэтому, во-первых, его сложнее сделать, во-вторых, его сложнее чинить при поломке. А в прямой трубе, которую представляет собой открытая ловушка, можно заменять секции без полной разборки. С инженерной точки зрения это гораздо выгоднее.
И боковая стенка не прожигается в случае чего. Есть такой параметр, как разделение потока тепла и потока нейтронов. Почему токамаки, и особенно сферические токамаки, требуют значительных материаловедческих разработок? Потому что нейтроны летят туда же, куда и поток тепла из плазмы, - и то и другое идёт на стенку. Сделать же стенку, которая выдержит такую нагрузку, достаточно сложно. Убрать все излишки в предназначенное для этого место - дивертор - не удаётся. А в открытой ловушке тепло и шлаки удаляются автоматически - вдоль поля, в расширитель. Поэтому на боковую стенку попадают почти исключительно нейтроны и излучение.
Ещё один плюс - возможность прямого преобразования энергии. Поток плазмы, который вылетает в расширитель, можно поместить в скрещенные поля и снимать электрическую мощность непосредственно с электродов, которые к этой плазме присоединены, не используя тепловую машину с тридцатипроцентным КПД. Теоретически КПД преобразования энергии плазмы в электричество может достичь 90 процентов, но это пока возможность, а не реальность.
Если бы удалось сделать небольшую термоядерную открытую ловушку, то это был бы готовый термоядерный ракетный двигатель, с соплом. Сейчас такое, конечно, звучит фантастически, но теоретически это возможно. Во всяком случае, встречаются серьёзные люди, которые выступают на конференциях с такими докладами. Конечно, с трудом верится, что ловушка в два километра поместится на космический корабль, но вдруг мы её когда-нибудь укоротим? Тридцатиметровая вполне могла бы поместиться; она, правда, тяжёлая, но это уже другая проблема.
Очевидных достоинств у открытых ловушек много, причём часть из них является следствием их основной слабости - наличия дырок, через которые вытекает плазма.
- Как возникла идея создания ГДМЛ?
- Идея совмещения многопробочной части с газодинамической в стационарном реакторе возникла в 2006 году в Институте ядерной физики. Если поток плазмы из газодинамической ловушки затормозить в многопробочной секции, то продольные потери уменьшатся, а эффективность удержания - возрастёт. Отцы-основатели, классики, которые изобретали многопробочную открытую ловушку, рисовали что-то похожее, но для импульсной системы. Они тоже считали, что не надо делать всю ловушку гофрированной, а нужно сделать центральную часть в виде гладкой трубы. Только в их варианте труба не была большим пробкотроном, а предполагалась такого же диаметра, как и гофрированная часть. Кроме того, считалось, что это чисто импульсная система, то есть с ГДЛ она была бы не совместима. Эффективное многопробочное удержание при относительно низкой плотности оказалось возможным благодаря коллективному рассеянию ионов на колебаниях плазмы (подобно уменьшению потока воды из гудящего крана). Оно было открыто коллективом лаборатории ГОЛ-3 ИЯФ.
Реализовать плазменную ловушку на основе такого улучшенного многопробочного удержания можно не единственным образом. Идея коллектива ГОЛ-3 заключалась в том, чтобы основным источником нагрева и термоизоляции плазмы сделать релятивистский электронный пучок. Для этого нужно, чтобы, как и в ГОЛ-3, в расширителях была плотная плазма, а электронный пучок был стационарным. А я отстаивал систему с низкой плотностью плазмы в расширителях, больше похожую на ГДЛ. Примерно в октябре 2010 года наше начальство решило, что пора разрабатывать установку нового поколения, и поручило это мне. Работа оказалась очень интересной. Обычно теоретики анализируют целое путём разбиения его на мелкие куски. А тут совсем наоборот. Нужно было построить целое из кусков, причём так, чтобы каждый кусок работал с другими согласованно, как инструменты играют в симфоническом оркестре.
ГДМЛ - это результат коллективных усилий. Мы старались сделать проект таким, чтобы его считали своим и сотрудники ГОЛ-3, и сотрудники ГДЛ, чтобы обе команды воспринимали его как своё родное детище, ведь по отдельности такую установку не построить. И если всё получится, это будет прорыв: по параметрам ГДМЛ будет сравнима с крупными токамаками, например модернизированным Т-15, но при этом на порядок проще и дешевле.
Схема ГДМЛ
- Как будет устроена ГДМЛ?
- ГДМЛ будет "гибридом" установок ГОЛ-3 и ГДЛ. Основная часть установки - это соленоид с двумя магнитными пробками, как на ГДЛ. В него инжектируются атомарные пучки, которые превращаются в плазме в быстрые ионы. Эти ионы удерживаются в ловушке и обеспечивают термоядерную реакцию. Для того чтобы система удерживала максимальное количество таких ионов, нужно, чтобы они инжектировались под немного разными углами к силовым линиям. Тогда давление плазмы (и энерговыделение) распределяется равномерно вдоль плеча соленоида - прообраза активной зоны реактора. Инжекция атомарных пучков осуществляется четырьмя парами инжекторов, каждый из которых имеет свой наклон к оси установки.
По бокам, за магнитными пробками, к центральному пробкотрону будут пристроены два участка с гофрированным магнитным полем, как на ГОЛ-3. Эти участки предназначены для подавления потока вытекающей плазмы. Плазма, всё-таки вытекающая из ловушки, попадёт в баки-расширители. В них будут установлены пластины-плазмоприёмники и инжекторы электронных пучков.