Российские физики выяснили, как рождаются "короеды" в термоядерных реакторах

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.

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.

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.

Источник(и):

1. АНИ ФИАН Информ

2. РИА Новости