Российские ученые доказали, что на существующих плазменных ускорителях можно добиться такой скорости потоков плазмы, которая необходима для начала реакции термоядерного синтеза в магнитных ловушках. Это исследование может иметь большое значение для разработок в области управляемого термоядерного синтеза, а также для создания новых типов плазменных двигателей для авиации и космонавтики. Результаты работы опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Управляемый термоядерный синтез может стать эффективным источником энергии, который придет на смену углеводородной энергетике. Сегодня существуют магнитные ловушки различных конструкций, в которых плазма (газ из заряженных частиц) удерживается с помощью сильного магнитного поля, например, токамаки, стеллараторы и галатеи (ловушки с левитирующими проводниками). Для начала реакции термоядерного синтеза в этих установках необходимо нагреть плазму до высокой температуры. С другой стороны, можно вложить энергию в плазму, разогнав ее до необходимой скорости (порядка 1500 км/с!) еще до попадания в магнитную ловушку. Причем речь идет об ускорении не отдельных частиц, а всего потока плотной плазмы. Сделать это довольно трудно.
По словам одного из авторов проводимых исследований, заведующего сектором в ФИЦ Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, доктора физико-математических наук Андрея Козлова, с проблемами недостаточного ускорения плазмы сталкиваются ученые и за рубежом. Например, американские физики на плазменных пушках добились скорости отдельных плазменных сгустков в пределах 200 км/с, в то время как на отечественных установках были получены скорости потока плазмы на уровне 400 км/с.
Примеры экспериментальной реализации квазистационарного плазменного ускорителя (КСПУ). Иллюстрация предоставлена А.Н. Козловым.
Скорость потока плазмы, которой удается достичь на современных плазменных ускорителях, недостаточна, и увеличить ее непросто, поскольку при этом возрастают затраты на эксперименты и нагрузки на элементы установок. В работе доказано, что добиться необходимой скорости потока плазмы, отвечающей энергии в 30 КэВ, можно и на современном оборудовании. Для этого необходимо уменьшить концентрацию газа, который подается «на входе» в первую ступень ускорителя, где происходит ионизация газа и предварительное ускорение образовавшейся плазмы.
«Для того чтобы на данной установке добиться большего ускорительного эффекта, нужно увеличивать разрядные токи до 2,5, а то и 6 мегаампер, но при таких токах конструкция просто сгорит. Поэтому токи должны быть разумными, такими, какие есть, а надо всего лишь уменьшить концентрацию», — рассказал Андрей Козлов.
В своих расчетах ученые использовали мощности суперкомпьютера К-100, созданного в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН совместно с ФГУП НИИ «Квант». Ученые меняли условия численного эксперимента и такие параметры, как концентрация и температура на входе, размеры установки и разрядный ток, и наблюдали, как меняются характеристики плазмы на выходе из плазменного ускорителя.
Помимо нового направления в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза эффективные плазменные ускорители могут использоваться и самостоятельно — в качестве мощных электрореактивных плазменных двигателей. При наличии атомного реактора на борту модифицированные ускорители в перспективе можно будет устанавливать и на космических кораблях, и на будущих самолетах, что значительно сократит время дальних перелетов и позволит отказаться от традиционного топлива из углеводородного сырья.
