Повелители искусственного солнца: ученые научились управлять плотностью плазмы

Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) разработали модуль управления плотностью плазмы для токамаков.

Управляемый термоядерный синтез — ​чудо, которого давно ждут, ведь ничего эффективнее энергетики с фактически неисчерпаемым запасом топлива быть не может. Но несмотря на то, что термоядерный синтез — ​самая распространенная реакция во Вселенной, создать искусственное солнце (термоядерный реактор, у которого энергозатраты на запуск реакции не превышают энергию на выходе) пока не удалось.

Термоядерная реакция происходит в плазме — ​горячем заряженном газе, состоящем из положительных ионов и свободно движущихся электронов. На Солнце ядра сливаются благодаря очень высокой температуре, иначе они не преодолели бы электростатическое отталкивание. Исследователи во многих странах решают проблемы создания и удержания плазмы плотности и температуры, необходимых для термоядерной реакции с положительным выходом. На токамаках, установках с магнитным удержанием плазмы, уже продемонстрирован КПД, близкий к единице.

Ученые ИЯФ СО РАН участвуют в российских и международных исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза. В начале года научная группа института сообщила о разработке дисперсионного интерферометра. Прибор измеряет плотность плазмы в вакуумной камере токамака, а в перспективе позволит этой плотностью управлять. Испытания проходили на сферическом токамаке «Глобус-М2» в Физико-техническом институте им. Иоффе РАН (ФТИ).

Универсальный измеритель

В большинстве экспериментальных установок системы удержания плазмы двух видов: магнитные ловушки замкнутого типа (токамаки и стеллараторы) и открытого (пробкотроны). Ключевые параметры тех и других — ​температура и плотность плазмы, в которой в результате слияния легких ядер образуются более тяжелые с выделением энергии.

«Для осуществления термоядерного синтеза с положительным выходом энергии надо соблюсти три условия: температура в сотни миллионов градусов, плотность уровня 10²⁰ частиц в кубическом метре и удержание частиц плазмы в течение десятков, а то и сотен миллисекунд (критерий Лоусона для слияния ядер дейтерия и трития), — ​рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Светлана Иваненко. — ​Эти параметры нужно как-то измерять. Но никакой термометр не выдержит температуры в десятки миллионов градусов. И здесь становятся перспективными технологии лазерной диагностики: лазер светит сквозь плазму, мы регистрируем луч на выходе и по косвенным признакам определяем значения».

Дисперсионный интерферометр ИЯФ СО РАН подходит для измерения плотности плазмы как в токамаках, так и в пробкотронах. В его основе СО₂‑лазер с длиной волны около 10 мкм.

Интерферометрические методы исследования плазмы базируются на принципе суперпозиции (слияния) двух электромагнитных волн, вышедших из одного источника. Одна волна перед слиянием проходит через плазму, другая — ​огибает ее. Фотоприемник регистрирует набег фазы, связанный с плазмой и пропорциональный ее плотности. Но у классического интерферометра есть недостатки: оптические элементы очень чувствительны к вибрациям, которые неизбежны во время работы установки. В дисперсионном интерферометре ИЯФа оба луча проходят по одному пути, но на них плазма оказывает разное воздействие, поскольку длины их волн различаются вдвое, а плазма обладает дисперсией.

«Используется излучение первой и второй гармоник СО₂‑лазера. Причем вторая волна получается из первой методом удвоения частоты в нелинейном кристалле. За счет того, что оба луча проходят один путь, вибрации компенсируются. Так мы получаем точные параметры плотности», — ​поясняет Светлана Иваненко.

Измерительная аппаратура разрабатывалась специально для этого интерферометра. Данные о плотности плазмы вычислительная система регистрирует каждые 20 мс с разрешением ≤ 6·10¹⁶ м^‑2 и анализирует в режиме реального времени.

«Зарегистрированный фотоприемником оптический сигнал преобразуется в электрический и поступает в фазометр — ​разработанный в ИЯФе прибор для измерения набега фазы. Данные фазометра оцифровываются, и при помощи специальных алгоритмов каждые 20 мс мы производим вычисление набега фазы, пропорционального плотности плазмы. Для этого используется программируемая логическая интегральная схема, которая позволяет обрабатывать данные прямо «на борту», не перегоняя в компьютер, и сразу же использовать их. Время существования плазмы в экспериментах на токамаке «Глобус-М2» было невелико, 200–300 мс, — соответственно, реакция должна была быть мгновенной», — ​говорит Светлана Иваненко.

Алгоритм вычисления плотности плазмы ИЯФа построен на преобразовании Фурье, что позволяет измерять сигнал с высокой точностью даже при сильных шумах.

От диагностики к управлению

«Прибор, регистрирующий плотность, сделан. Следующая задача — ​управление параметрами плазмы. В фазометр мы заложили возможность загружать по Ethernet референсные значения плотности плазмы в конкретные моменты времени. В ходе сравнения референсного и реального значений подается напряжение на клапан газонапуска. Объем подачи газа в камеру и позволяет регулировать плотность», — ​рассказывает Светлана Иваненко.

Первые испытания системы управления организовали в ноябре 2023 года на «Глобусе-М2». Провести их на установке ГДЛ (газодинамической ловушке) ИЯФ СО РАН невозможно, поскольку время жизни плазмы в ней не превышает 10 мс. «Мы планируем продолжить серию экспериментов на «Глобусе-М2» в ближайшее время», — ​добавляет Светлана Иваненко.

Испытания на сферическом токамаке — только первый шаг к полноценному управлению плотностью плазмы. Разработчики надеются, что их прибор найдет применение на токамаке Т‑15МД в Курчатовском институте. Если расчеты оправдаются, интерферометр может стать элементом токамака с реакторными технологиями, TРT, который разрабатывает Проектный центр ИТЭР «Росатома». «В перспективе наш интерферометр может использоваться и в экспериментах на международном термоядерном реакторе ИТЭР. Но для начала наша цель — ​ТРТ», — ​резюмирует Светлана Иваненко.

«ГЛОБУС-М2»

Сферический токамак «Глобус-М» был пущен в ФТИ в 1999 году. Его модернизированная версия М2 и токамаки NSTX (США) и MAST (Великобритания) образуют тройку мировых лидеров в своем классе.

Это единственная в России установка, где проводятся исследования плазмы в конфигурации термоядерного реактора (диверторной конфигурации). Водородную плазму до температуры 10 млн °C нагревают атомарные инжекторы. Один из них изготовлен в ИЯФ СО РАН. В ходе последних экспериментов на «Глобусе-М2» получена рекордная для сферических токамаков плотность плазмы.

На комплексе в ФТИ отрабатываются новые методы радиочастотного нагрева плазмы и подачи заряда в плазменный шнур. Эти работы помогут существенно продвинуться в понимании фундаментальных процессов в плазме токамака и оценить перспективность сферических токамаков.