Ученые описали процессы переноса тепла в установке для термоядерного синтеза

Глеб Курскиев

Сотрудники Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе исследовали, как происходит теплообмен в плазме сферического токамака Глобус-М — уникальной научной установки для термоядерного синтеза. Эти знания помогут в дальнейшем создать неисчерпаемый источник энергии для населения Земли. Результаты представлены в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Работа поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

«Мы подтвердили, что особенности физических процессов в плазме сферического токамака Глобус-М препятствуют возникновению дополнительных потерь тепла по ионному каналу из-за турбулентности плазмы. Это значит, что установка такого типа является хорошей основой для создания компактного источника термоядерных нейтронов», — рассказывает Глеб Курскиев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физики высокотемпературной плазмы Физико-технического института.

В реакциях термоядерного синтеза получают более тяжелые атомы из легких радиоактивных аналогов водорода, дейтерия и трития. Газ легких элементов нагревают до температуры в 100 миллионов градусов, что позволяет образовать плазму — газ из заряженных частиц: ионов и электронов. Однако, чтобы удержать плазму внутри установки, требуется сильное магнитное поле. Для этого нужны специальные установки — токамаки, которые опоясаны катушками, проводящими электрический ток и создающими такое поле. Внутри установки разогретые ионы плазмы сталкиваются друг с другом и образуют гелий и нейтроны с очень высокой энергией, как это происходит в недрах Солнца. При этом энергия нейтронов превышает затраты на разогрев плазмы, что позволяет получать эту разницу в виде энергии для промышленного использования. Термоядерные электростанции признают безопасными и экологичными: по сравнению с атомными в них не происходит взрывных реакций, а в отличие от сжигания углеводородов — нет выбросов углекислого газа и оксидов азота, способствующих глобальному потеплению и загрязняющих окружающую среду. Более того, полученные при термоядерном синтезе нейтроны могут разрушать радиоактивные отходы на атомных электростанциях.

Термоядерный синтез тем эффективнее, чем лучше нагрев плазмы, а это требует сильного магнитного поля и электрического тока, протекающего по плазме. Наоборот, турбулентность ионов плазмы мешает эффективному нагреву: вместо полезных столкновений ионы отклоняются и уходят из плазмы, что нарушает ее теплоизоляцию. В своей работе ученые оценили степень переноса тепла в сферическом токамаке Глобус-М в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург). Эта уникальная установка используется для исследовательских целей, но в будущем может послужить прототипом неисчерпаемого источника энергии. Малое аспектное отношение (то есть отношение величины большого радиуса плазменного шнура к малому радиусу) токамака Глобус-М обеспечивает получение высокого давления плазмы, что важно для эффективности протекания реакции синтеза.

«Экспериментально подтвержденная модель для расчета параметров нагрева плазмы позволит спроектировать компактный источник высокоэнергичных нейтронов, которые можно использовать для деления тяжелых ядер. В процессе также можно получать энергию. Наше исследование существенно ускорит разработку и внедрение более эффективных ядерных систем, использующих процессы как синтеза, так и деления», — поясняет Глеб Курскиев.

В 70-х годах прошлого века была разработана неоклассическая теория диффузии, которая описывает перенос тепла в токамаке для случая редких взаимодействий между заряженными частицами. В своей работе ученые моделировали процессы теплопереноса в сферическом токамаке и сравнили результаты этого моделирования с экспериментальными данными. Выяснилось, что перенос тепла внутри токамака Глобус-М хорошо описывается неоклассической теорией диффузии в отличие от установок с большим аспектным отношением, где преобладает турбулентный перенос. Это означает, что потеря энергии из-за взаимодействия ионов друг с другом минимальна, а достижимые значения температур и выход высокоэнергетических нейтронов максимальны. Ученые полагают, что магнитное поле внутри прибора, которое поддерживает расположение плазмы в установке, еще и стабилизирует потоки ионов.

Исследование ученых дополняет фундаментальные знания, полученные в экспериментах на похожих европейских и американских установках. Объединив результаты с разных машин, в дальнейшем можно будет спроектировать более совершенное устройство для ядерных реакций синтеза.