CC BY
21УДК 533.9
Выход термоядерной реакции из цилиндрической замагниченной мишени
© СВ. Рыжков, А.Ю. Чирков МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Проанализирована возможность применения магнитно-инерциального термоядерного синтеза для создания нейтронного источника. Рассмотрена конфигурация мишени в виде пробкотрона — аксиально-симметричной открытой ловушки с магнитными «пробками».
Ключевые слова: магнитно-инерциальный термоядерный синтез, нейтронный источник, пробкотрон, газодинамическая ловушка, замагниченная плазма.
Настоящая работа посвящена анализу возможного применения магнитно-инерциального термоядерного синтеза (МИТС) для создания нейтронного источника. Подход МИТС предполагает нагрев за-магниченного плазменного образования до термоядерных температур посредством сжатия. В результате сжатия достигаются не только высокие температуры (~ 10 кэВ), но и высокие плотности (~ 1027 м-3). При этом требуемое время удержания плазмы соответствует времени инерционного разлета. В табл. 1 и 2 даны характеристики лазерных установок и Z-пинчей, которые могут быть использованы в качестве драйверов.
Высокому коэффициенту усиления мощности соответствуют лазеры, ионные пучки (в качестве драйверов), например установки OMEGA EP, Z-Beamlet laser. Для типичных сценариев МИТС необходимы магнитные поля порядка 10 000 Тл, которые реализуются в результате сжатия начального магнитного потока. Зажигание в этом случае возможно при низкой скорости имплозии за счет замагничен-ности мишени.
Средний и низкий коэффициенты усиления мощности обеспечивают плазменные струи и различные лайнеры (установки Shiva Star-FRX-L, CTIX, Тор-Лайнер). Коэффициент усиления для экономически обоснованного производства энергии может быть гораздо ниже, чем для лазерного драйвера инерциального термоядерного синтеза. Сюда также относятся твердые и жидкие оболочки (лайнеры), некриогенные газовые мишени и высокоэффективные дешевые драйверы, например действующие ускоритель HyperV Plasma Jet и установка Plasma Liner physics exploratory experiment (PLX).
Лазерные установки и генераторы высоких плотностей энергии
УФЛ-2М NIF LMJ Gekko (ILE, Осака) OMEGA «Искра-5» LFEX (ILE, Осака)
Характеристика (РФЯЦ-ВНИИЭФ) (LLNL, Ли-вермор), (CESTA, Бордо) (Университет Рочестера) (ВНИИЭФ, Саров)
Параметры энерго- 4,6 МДж 3,6 эВ на ча- 3,6 эВ на час- 1015 Вт 1 ПВт 1015 Вт 5 ПВт
вклада стицу тицу (1 кДж за 1 пс) (100 фс, 100 кДж) (2 пс)
Длительность им- - 1... 20 не 9 нс 0,5... 1 пс 1...100 пс 3... 4 не 1...20 пс
пульса
Размер пятна (дли- 1 053 нм 0,3 мм 0,35 мкм 20 мкм 1 053 нм — 20...30 мкм
на волны) (1,05 мкм) (0,35 мкм)
Энергия в импульсе 2,8 МДж 1,8 МДж 2 МДж 500 Дж (пучок) 2,5...60 кДж 600 кДж 10 кДж
Интенсивность 527 нм 2-1015 Вт/см2 1015 Вт/см2 Ю20 Вт/см2 2Т 020 Вт/см2 1018... 10 ПВт
(облучение мишени) (непрямое сжатие) (непрямое сжатие) (прямое сжатие) 10 21 Вт/см2
Установки Z-пинч для использования в качестве драйверов
Характеристика «Байкал» (ТРИНИТИ, Троицк) Z Machine (Sandia National Laboratory) С-300 (НИЦ «Курчатовский институт») «Ангара 5-1» (ТРИНИТИ, Троицк)
Параметры энерговклада 50 МА 20 MA 50...250 эВ 5... ЮМА/см 100 эВ 1 МА/см 100 эВ
Длительность импульса 150 нс 100 не 5...15 не 100 нс 12 не 90 не 6 НС
Размер пятна (индуктивно 900 МДж) 1 мм (цилиндр) 2 мм 2 мм
Энергия в импульсе 50 МДж (к лайнеру) 16 МДж 1,8 МДж 300 кДж 50 кДж 600 кДж 120 кДж
Интенсивность 4...6 MB, 3 МА, 100 не 1014 Вт/см2 2 -1012 Вт/см2 3-Ю12 Вт/см2
Примечание. В числителе и знаменателе приведены значения генерации тока и рентгеновского излучения соответственно.
Рассматривается конфигурация мишени в виде аксиально-симметричной открытой ловушки с магнитными «пробками» — так называемого пробкотрона. С технической точки зрения значительное преимущество пробкотрона заключается в его простоте. Кроме того, аксиальная симметрия снимает проблему неоклассического переноса. Для стационарных и квазистационарных открытых систем существенными являются проблемы стабилизации характерных магнито-гидродинамических и кинетических неустойчивостей. Импульсный характер магнитно-инерциальных режимов снимает эти проблемы. За характерные для МИТС времена удержания магнитогидродинамиче-ские неустойчивости не успевают развиваться. Турбулентный транспорт, вызываемый кинетическими неустойчивостями, имеет существенно более низкую интенсивность по сравнению с потерями вдоль магнитных силовых линий. Таким образом, эффективность удержания частиц и энергии в открытых ловушках определяется классическими продольными потерями, что ограничивает возможности стационарных систем. При временах удержания, характерных для МИТС, роль продольных потерь в энергобалансе плазмы снижается, что связано с высокой плотностью плазмы и соответственно с высокими магнитными полями. В настоящей работе рассматриваются такие режимы, в которых время продольных потерь сопоставимо или превышает время инерционного разлета плазмы.
Термоядерные режимы квазистационарной аксиально-симметричной открытой ловушки, для которых определяющими являются продольные потери, рассматривались в работах [1, 2]. Особенность этих режимов — мощная инжекция быстрых частиц в плазму. Как показало моделирование, режимы с плазменным коэффициентом усиления мощности в плазме Qpl ~ 1 — отношение термоядерной мощности к поглощенной мощности внешнего нагрева) могут быть реализованы в сравнительно компактной системе. Такая система по размерам сопоставима с существующими экспериментальными установками открытого типа, такими как, например, газодинамическая ловушка (ГДЛ) [3]. Отметим, что мощная инжекция в этих системах способствует формированию положительных потенциальных барьеров на торцах открытой системы, что, в свою очередь, улучшает продольное удержание. Принципиальным отличием рассматриваемых здесь магнитно-инерциальных режимов является высокая плотность плазмы и соответственно высокая плотность энергии. Нагрев плазмы в режиме МИТС также осуществляется принципиально иным способом — за счет сжатия.
Основная цель настоящего исследования — проанализировать, при каких условиях в системе МИТС на основе открытой ловушки могут быть реализованы режимы с Qpl ~ 1, что необходимо для
определения направления дальнейшего развития предложенной концепции.
Важное преимущество открытых ловушек по сравнению с классическими токамаками заключается в возможности устойчивого удержания плазмы с высоким отношением в давления плазмы к магнитному давлению. В частности, на ГДЛ реализованы режимы с в « « 0,5...0,6.
Для численного моделирования кинетики быстрых ионов была разработана физическая модель [4, 5], учитывающая угловое рассеяние быстрых частиц, а также их участие в термоядерных реакциях. Для анализа используется модель МИТС с обжатием лазерными пучками и плазменными струями, разработанная в работах [6-11]. Одним из главных показателей эффективности является коэффициент усиления мощности в плазме
0 =
р1 ++ит,'
где — энергия, выделяемая в течение импульса в результате термоядерных реакций; — энергия, вложенная в плазму; Ж/ — энергия, вложенная в сжимающий лайнер; Жт — энергия магнитного поля.
Результаты расчетов даны в табл. 3. Магнитно-инерциальные режимы цилиндрической мишени-пробкотрона представлены в вариантах 1-3. Для сравнения также приведены типичные параметры квазистационарного нейтронного источника (КСНИ) на основе открытой ловушки [1, 2].
Таблица 3
Параметры магнитно-инерциальных режимов цилиндрической мишени-пробкотрона (варианты 1-3) и КСНИ на основе открытой ловушки [1, 2]
Параметр Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 КСНИ
Радиус плазмы а, см 0,25 0,5 0,25 100
Длина плазмы Ь, см 10 10 10 1 000
Магнитное поле центрального соленоида В0, Тл 3 300 1 500 3 300 1,5
Магнитное поле в пробках Вт, Тл 10 000 15 000 10 000 11
Концентрация топлива По = пТ, м-3 1,31027 1,3-1026 6,4-1026 2,6-1019
Температура плазмы Т, кэВ 5 10 10 10
Окончание табл. 3
Параметр Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 КСНИ
Энергия плазмы Жр1, МДж 12* 10* 12* 10,5
Энергия магнитного поля Жт, МДж 12* 10* 12* -
Энергия лайнера Ж1, МДж 32* 27* 32* -
Термоядерная мощность Рп, МВт 43** 36** 63** 24
Мощность в нейтронах Рп, МВт 34** 29** 50** 24
Плазменный коэффициент усиления Qpl 0,77 0,77 1,1 0,38
Выход нейтронов N10-18, нейтр./с 15** 13** 22** 11
В импульсе. Среднее значение при частоте следования импульсов 1 Гц.
Как можно видеть, плазменный коэффициент усиления мощности Qpi ~ 1 в режимах МИТС превышает типичные значения для аналогичной квазистационарной системы с магнитным удержанием. Это связано с достижением высокой плотности плазмы в результате ее импульсного сжатия. Источник термоядерных нейтронов с Qpl ~ 1 выглядит привлекательно в качестве драйвера гибридного термоядерно-ядерного реактора, а относительная простота рассмотренной конфигурации мишени и умеренные требования к параметрам (относительно типичных инерционных схем) открывают определенные перспективы развития данного направления.
Данное исследование выполнено в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», мероприятие 1.6, госконтракт № 14.516.11.0083.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Chirkov A.Yu., Ryzhkov S.V., Bagryansky P.A., Anikeev A.V. Plasma Kinetics Models for Fusion Systems Based on the Axially-Symmetric Mirror Devices. Fusion Science and Technology, 2011, vol. 59, no. 1T, pp. 39-42.
[2] Чирков А.Ю., Рыжков С.В., Багрянский П.А., Аникеев А.В. Термоядерные режимы аксиально-симметричной открытой ловушки с мощной инжекци-ей быстрых частиц. Прикладная физика, 2011, № 5, с. 57-63.
[3] Bagryansky P.A., et al. Gas Dynamic Trap as High Power 14. MeV Neutron Source. Fusion Engineering and Design, 2004, vol. 70, рр. 13-33.
[4] Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. К расчету функций распределения высокоэнер-гетичных ионов по скоростям. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2003, вып. 1, с. 55-65.
[5] Чирков А.Ю. Численное решение уравнения Фоккера - Планка для моделирования модифицированных газодинамических режимов плазмы в магнитной ловушке с нагревом интенсивными атомарными пучками. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2011, т. 11. URL: http://chemphys.edu.ru/pdf/2011-02-01-029.pdf.
[6] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Developing the Numerical Model for Studying Laser-Compression of Magnetized Plasmas. Acta Technica, 2011, vol. 56, pp. 454-467.
[7] Chirkov A.Yu., Ryzhkov S.V. The Plasma Jet/Laser Driven Compression of Compact Plasmoids to Fusion Conditions. J. of Fusion Energy, 2012, vol. 31, pp. 7-12.
[8] Ryzhkov S.V. The Behavior of a Magnetized Plasma under the Action of Laser with High Pulse Energy. Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Electronics and New Methods ofAcceleration, 2010, no. 4 (7), pp. 105-110.
[9] Костюков И.Ю., Рыжков С.В. Магнитно-инерциальный термоядерный синтез с лазерным обжатием замагниченной сферической мишени. Прикладная физика, 2011, № 1, c. 65-72.
[10] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Numerical Modeling of Magnetized Plasma Compressed by the Laser Beams and Plasma Jets. Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Physics, 2013, no. 1 (83), pp. 12-14.
[11] Ryzhkov S.V., Chirkov A.Yu., Ivanov A.A. Analysis of the Compression and Heating of Magnetized Plasma Targets for Magneto-Inertial Fusion. Fusion Science and Technology, 2013, vol. 63, no. 1T, pp. 135-138.
Статья поступила в редакцию 21.06.2013
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:
Рыжков СВ., Чирков А.Ю. Выход термоядерной реакции из цилиндрической замагниченной мишени. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5.
URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/criogen/720.html Рыжков Сергей Витальевич родился в 1974 г., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1997 г. и аспирантуру МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2001 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплофизика», ученый секретарь Ученого совета Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение», координатор платформы сотрудничества столичных технических университетов Центральной и Восточной Европы (CEEMUT). Лауреат премии РАО «ЕЭС России» и Российской академии наук «Новая генерация» в области энергетики и смежных наук, лауреат премии и медали РАН для молодых ученых в области физико-технических проблем энергетики. Специалист в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Автор более 100 научных работ в области теплофизики, физики плазмы, радиационной газовой динамики и ядерной энергетики. е-mail: ryzhkov@power.bmstu.ru Чирков Алексей Юрьевич родился в 1976 г., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2000 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплофизика» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Лауреат премии РАО «ЕЭС России» и Российской академии наук «Новая генерация» в области энергетики и смежных наук, лауреат премии и медали РАН для молодых ученых в области физико-технических проблем энергетики. Специалист в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Автор более 100 публикаций в области физики плазмы. е-mail: alexxeich@mail.ru
