Цифровой журнал «Компьютерра» № 64

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.

- А какие у неё будут параметры?

- Центральный пробкотрон — десять метров. Гофрированные участки — по пять метров каждый, плюс баки расширителей; в сумме получается тридцать метров.

Пробочное отношение — восемь. Пробочное отношение — это отношение максимального магнитного поля (в пробке) к минимальному. Оно определяет относительный размер отверстия, через которое вытекает плазма. У нас площадь отверстия составляет 1/8 от сечения в самой широкой области. Чем меньше отверстие, тем лучше. Но чтобы его сделать совсем маленьким, нужно создать большое магнитное поле, а это дорого, потому что подразумевает использование дорогих сверхпроводников. Оказывается, что дешевле увеличивать длину многопробочных участков, чем увеличивать магнитное поле.

Комплекс атомарной инжекции будет состоять из восьми инжекторов мощностью 1 МВт и длительностью 1 сек. Атомы разгоняются до энергии 40 кэВ (тыс. электрон-вольт). ИЯФ является мировым лидером по разработке и изготовлению подобных приборов. Проблемы с технологией нет, были бы деньги. Каждый инжектор стоит порядка миллиона долларов, себестоимость, конечно, меньше, но всё равно это самая дорогая часть установки.

Очень важной частью установки будут электронные пучки. Кроме дополнительного нагрева плазмы, они должны будут поддерживать её электрический потенциал и генерировать звук в многопробочных участках. Их будет две штуки. По одному импульсно-периодическому инжектору в каждом расширительном баке, мощностью 5 МВт и энергией 50 кэВ.

Расчётная плотность плазмы составит 1-5*10¹⁴ в кубическом сантиметре. Это примерно в сто тысяч раз меньше, чем плотность молекул в атмосферном воздухе. Однако для горячей плазмы это большая плотность. Достаточно сказать, что её давление будет сравнимо с атмосферным.

Расчётная температура электронов — 1-2 кэВ. На ГОЛ-3 такая температура электронов получена, но она достигается за счёт очень мощного электронного пучка. В ГДМЛ мы хотим достичь примерно такой же температуры за счёт более качественного удержания плазмы. Большая температура электронов позволяет дольше удерживать в ловушке быстрые ионы, соответственно возрастает расчётный выход мощности термоядерных реакций. Если считать, что плазма состоит из дейтерия и трития, и отнести термоядерную мощность к затратам мощности на нагрев плазмы, то получится параметр Q_DT. Он характеризует эффективность удержания плазмы в ловушке. Сейчас на наших установках Q_DT

Чтобы реализовать эти параметры, нужно уже сейчас начинать поддерживающие эксперименты на тех двух установках, которые у нас есть. Мы так и делаем. Например, проводим эксперименты по течению плазмы через один или несколько пробкотронов. Сейчас, как вы могли видеть, к ГДЛ присоединена маленькая ловушечка, она выполняет функцию одной гофры гофрированной системы. Мы проверяли, работает ли при плотности плазмы ГДЛ принцип гудения трубы. Предварительные результаты говорят, что работает — значит, и на ГДМЛ, скорее всего, заработает. Идут эксперименты по разработке электронных пучков для ГДМЛ.

- Будут ли у ГДМЛ приложения?

- Да, будут, и очень полезные. В первую очередь ГДМЛ — это эксперимент для испытания новых принципов устройства термоядерного реактора. Однако есть цели и поближе.

Первое приложение — это мощный нейтронный источник для материаловедения. Его энергетическая эффективность может быть скромной, Q_DT=1-10%. Эти параметры должны быть достигнуты уже в ГДМЛ, при длине ловушки тридцать метров.

Следующее приложение требует Q_DT больше 15 процентов и называется драйвером подкритичного ядерного реактора. Большинство реакторов работают на медленных нейтронах, которые специально замедляются, чтобы вызвать реакцию в уране-235. Основная часть урана при этом остаётся бесполезной. Для того чтобы она стала источником энергии, используются реакторы на быстрых протонах, и как раз за этой системой будущее ядерной энергетики. Потому что того урана, который делится сейчас, осталось немного. Но зато есть большие запасы обеднённого урана. И его можно использовать как топливо, но для этого необходим поджиг. «Поджигать» его можно, в частности, термоядерным источником нейтронов. Такие же параметры термоядерной установки требуются для создания реактора-дожигателя ядерных отходов. Но, конечно, это ядерная энергетика, и если использовать термоядерный реактор в таком качестве, он должен быть обложен радиоактивным веществом. А следовательно, встаёт вопрос безопасности. В связи с ситуацией на «Фукусиме» это приложение может отпасть вообще.

Следующий этап — гибридный реактор. Термоядерный реактор можно обложить «одеялом», заполненным урановыми топливными сборками, и получится гибридный реактор. Его преимущество в том, что он глубоко подкритичен. Это значит, что если плазменная установка остановится, то без дополнительной аварийной защиты выключится и сам реактор. Плазму очень сложно зажечь, но зато «выключить» легче лёгкого.