Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) реализуют проект, посвященный исследованию физики удержания энергичных ионов в открытой магнитной ловушке ГДЛ (газодинамическая ловушка) ИЯФ СО РАН. Основная цель работы – демонстрация нового метода измерения распределения ионов по скоростям за счет зондирования плазмы мощным микроволновым излучением.

Новый метод диагностики планируется применить для физических исследований, направленных на достижение предельных параметров высокотемпературной плазмы, необходимых для термоядерных приложений, например, использования ГДЛ как мощного источника термоядерных нейтронов. На данный момент специалисты провели теоретический анализ и воспроизвели будущий эксперимент в компьютерной модели. Первые результаты работы опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Работы поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Открытая магнитная ловушка ГДЛ (Газодинамическая ловушка), входящая в Комплекс ДОЛ (Длинные открытые ловушки) ИЯФ СО РАН, является прототипом источника термоядерных нейтронов. Такие источники могут использоваться для материаловедческих исследований по программе управляемого термоядерного синтеза (УТС). При дальнейшем улучшении характеристик их можно применять для дожигания радиоактивных элементов, то есть глубокой переработки ядерных отходов, для создания гибридного энергетического реактора, работающего по схеме синтез-деление, и, в перспективе, реактора ядерного синтеза. Исследования ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН способны повысить перспективность открытых магнитных систем для задач УТС.

«ГДЛ может работать в качестве нейтронного источника только благодаря энергичным ионам. У каждого энергичного иона в открытой магнитной ловушке простая функция – столкнувшись с другим ионом в результате термоядерной реакции привести к рождению нейтрона, а задача нейтронного источника, как ни банально это звучит – получение как можно большего количества нейтронов, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Соломахин. – Наибольшей концентрации энергичные ионы достигают на концах открытой магнитной ловушки, в магнитных пробках, в своих точках разворота. Именно это является преимуществом ГДЛ перед другими термоядерными источниками нейтронов, так как сами по себе эти частицы не очень приятная вещь с точки зрения безопасности для персонала и элементов конструкции установки. Потребителей нейтронов ГДЛ можно расположить вблизи места концентрации, на концах установки, а в остальных частях малый нейтронный поток позволяет легко от него защититься».

На данный момент разработаны численные коды, которые моделируют поведение энергичных ионов, но для проверки физических идей, заложенных в эти коды, и проектирования настоящего нейтронного источника физики должны сравнить результаты расчетов с экспериментом. Для этого им необходимо научиться измерять функцию распределения энергичных ионов – узнать сколько в ловушке ионов и какие у них скорости. Ученые предлагают использовать бесконтактное измерение функции распределения горячих ионов в объеме ловушки, основанное на так называемом методе коллективного рассеяния – регистрации рассеяния миллиметрового излучения мощного гиротрона на флуктуациях электронной плотности.

«В последнее время на установке ГДЛ достигнут значительный прогресс во времени удержания энергичных ионов и в нейтронном выходе (до 80%) за счет нагрева электронов при помощи СВЧ-волн, – рассказывает руководитель проекта, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы ИПФ РАН, доктор физико-математических наук Александр Шалашов. – При этом задача исследования функции распределения энергичных ионов в ловушке становится одной из первостепенных, так как распределение ионов по скоростям формируется в основном за счет их соударений с электронами мишенной плазмы. Прямое измерение функции распределения необходимо для уточнения существующих представлений об удержании горячих ионов в ловушке в новом (только что достигнутом для открытых ловушек) диапазоне параметров плазмы. От решения этих вопросов зависит стратегия оптимизации режимов работы установки ГДЛ и других установок на базе открытых магнитных ловушек с атомарными пучками, в том числе входящих в Комплекс ДОЛ ИЯФ СО РАН, и развитие направления в целом».

Предлагаемый метод измерения ионной функции распределения достаточно широко используется в тороидальных магнитных системах: токамаках и стеллараторах. Коллектив ИПФ РАН был инициатором пионерских экспериментов по измерению ионной температуры методом коллективного рассеяния на стеллараторе Wendelstein 7-AS (Германия) и исследованию аномальных спектров коллективного рассеяния на токамаке FTU (Италия). Для открытых магнитных систем метод будет применяться впервые.

«Для зондирования плазмы мы используем электромагнитные волны СВЧ диапазона. На такой высокой частоте поле волны может взаимодействовать только с электронами, но тем не менее мы видим ионы, – поясняет Александр Шалашов. – Это становится возможным, так как движущийся в плазме ион создает волны в жидкости из электронов примерно также, как корабль – на поверхности воды. Мы наблюдаем эти волны, состоящие в коллективном движении очень большого числа электронов, и делаем вывод об источниках этих волн, то есть ионах. В этом, например, принципиальное отличие от рассеяния лазерного излучения, давно применяемого для диагностики плазмы, в том числе и на ГДЛ. С лазером мы видим отдельные электроны, поэтому можем определить только их энергию и количество, а когда для зондирования плазмы вместо лазера мы используем генератор когерентного микроволнового излучения – гиротрон, то видим среди прочего и волны электронов, образуемые вслед движущимся ионам».

На данный момент диагностика находится на этапе проектирования и разработке ключевых узлов.

«Нами было проведено моделирование спектров, которые могут быть получены в условиях эксперимента на ГДЛ, также был проведен ряд экспериментов по измерению спектра излучения гиротрона и мощности рассеянного излучения гиротрона в вакуумной камере ГДЛ. Создан специализированный приемник рассеянного излучения, сейчас проходит его тестирование на стенде в ИПФ РАН. Сейчас идет конструкторская проработка элементов квазиоптических трактов для зондирования и приема излучения. Модернизация установки ГДЛ под этот проект намечена на конец 2020 г.», – пояснил руководитель проекта.

По словам авторов, проверить теоретические знания о распределении горячих ионов в ГДЛ очень важно, поскольку они заложены и в концепцию следующих (проектируемых) установок, в частности, в комплекс разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы ГДМЛ, проектируемый в ИЯФ СО РАН.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН