Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФАН) установили механизм функционирования одного из главных отрицательных явлений, возникающих в работе токамаков, – униполярной дуги. Такие дуги возникают при взаимодействии плазмы с одной из стенок токамака и, двигаясь словно короед, начинают её разъедать. Что является «активатором» явления, до недавнего времени было не ясно.

Одним из альтернативных источников энергии, на которые сегодня возлагаются большие надежды, является термоядерный синтез – реакция слияния легких ядер (например, изотопов водорода – дейтерия и трития) в более тяжелые. Наиболее подходящими для этого реакторами признаны токамаки или тороидальные установки для магнитного удержания плазмы.

Их цель – создание и поддержание условий протекания управляемого термоядерного синтеза.

В настоящее время в мире построено несколько сотен «исследовательских» токамаков, также вовсю идет подготовка к строительству опытного термоядерного токамака-реактора ИТЭР во Франции. Однако множество проблем, как фундаментальных, так и технологических, все еще остаются не решенными, а, значит, мешают осуществлению главной цели – возможности коммерческого использования термоядерного реактора. Одной из таких проблем является возникновение в ходе работы токамака крайне отрицательного явления – униполярной вакуумной дуги, «прогрызающей» одну из стенок токамака.

«Униполярная дуга – это подвид вакуумной дуги, то есть электрического разряда в вакууме. Разница в том, что катод здесь является одновременно и катодом и анодом, и поэтому униполярная дуга похожа на фонтан, то есть электроны, вылетая из катодного пятна, возвращаются на поверхность, циркулируя, как вода в фонтане. В термоядерных установках вакуумные условия очень хорошие, и поэтому эрозия поверхностей и разряд в материалах поверхностей играют большую роль. В токамаках униполярная дуга образуется в материале первой стенки, то есть той, что обращена к плазме», – объясняет научный сотрудник Лаборатории импульсных процессов ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Цвентух.

Рис. 1. Движение катодного пятна (против силы Ампера).

Инициируются униполярные дуги исключительно в крупных мощных установках, так как для этого нужна достаточно интенсивная внешняя плазма. Потому и исследовать явление в естественных условиях крайне сложно – ведь получается, что маленькие по размеру и случайно возникающие явления нужно исследовать на фоне крупного плазменного образования. Однако «знать врага в лицо» все же нужно, поэтому в научном сообществе было решено моделировать инициирование униполярных дуг в более контролируемых условиях. Специальные установки-симуляторы для детального исследования отдельных стадий взаимодействия плазмы с поверхностью есть сейчас во многих странах, включая нашу. Одна из наиболее эффективных – линейная плазменная машина NAGDIS-II – находится Нагойском университете (г. Нагоя, Япония). Именно на ней японские физики Shin Kajita, Noriyasu Ohno, Shuichi Takamura и др. проводили в 2008–2009 годах свои эксперименты (http://stacks.iop.org, http://www.sciencedirect.com). А в конце 2010 года сотрудник ФИАН Михаил Цвентух и сотрудник ИОФАН Сергей Баренгольц под руководством директора ФИАН академика Геннадия Месяца, проанализировав работы японских коллег, смогли найти объяснение наблюдаемым в них явлениям.

Рис. 2. Линейная плазменная машина NAGDIS-II.

«До недавнего времени, – рассказывает Михаил Цвентух, – хороших экспериментальных данных ни о возникновении униполярных дуг, ни о частоте их появления не было. И объяснение фактически сводилось к тому, что явление сложное, непонятное, трудно наблюдаемое, и потому его нужно воспринимать как должное. В экспериментах на японской установке учитывались два важных фактора. Во-первых, неоднородность поверхности. Дело в том, что под действием плазмы на поверхности образуется наноструктура, а это облегчает инициирование и поддержание униполярной дуги. И, во-вторых, учитывалось то, что плазма в токамаке пытается сбросить вложенную в нее энергию наружу. Ведь удержание – это “противоестественный” процесс, так как на самом деле природа стремится сгладить все градиенты. В частности, для того, чтобы сбросить часть энергии плазма в токамаках проявляет так называемую магнитогидродинамическую активность – на поверхность стенки токамака периодически выплескиваются сгустки плазмы – ЭЛМ-ы (ELM-s – edge localized modes), которые приносят во много раз больше энергии, чем в среднем поток плазмы. Так вот, когда плазма ударяется о поверхность, то униполярные дуги инициируются особенно хорошо. И это было хорошо видно в последних экспериментах».

Рассмотрев несколько модельных задач, российские физики показали, что источником эрозионной («разьедающей») плазмы в униполярных дугах является взрывная эмиссия электронов, вырывающихся из материала порциями или, как окрестил их в 1993 году академик Месяц, эктонами. При этом процесс будет длиться тем дольше, чем больше эктонов возникло при инициировании дуги. Также они оценили, что с учетом характеристик поверхности и энергии ЭЛМ-событий, униполярные дуги могут образовываться и при более низких параметрах инициирующей плазмы, чем это считалось раньше, по крайней мере, на порядок. Установление механизма униполярной дуги и условий ее образования должно помочь разработчикам ИТЭРа (и последующих коммерческих источников энергии) выбрать верный путь защиты установки от последствий явления. В частности, одним из решений этого вопроса является снижение активности плазмы и ее воздействия на стенку токамака. С учетом выясненных подробностей эти параметры придется снижать в совсем иное количество раз.

Интрига состоит в том, что сетка из нановолокон на поверхности первой стенки рассматривается как одно из перспективных покрытий для реактора. Такой вольфрамовый «пух» снижает распыление ионов и крупномасштабную эрозию, характерную для гладкой поверхности. Стабильное горение униполярных дуг может оказаться единственным минусом такого покрытия.

И еще одна проблема токамаков, связанная с эрозией внутренней стенки, – это примеси, вылетающие из катодного пятна в виде микрочастиц и капельных фракций и приводящие к охлаждению основной плазмы. Знание механизма функционирования униполярной дуги должно помочь рассчитать и возможные тепловые потери. Об этих и других особенностях явления Михаил Цвентух и Сергей Баренгольц расскажут в Нагойском институте, куда по приглашению своих японских коллег отправятся в марте этого года.