Фотонна пастка для термояда

Фізики створили ефективну установку для нейтралізації негативних іонів за допомогою фотонів, яку можна використовувати в термоядерному реакторі.

Дослідникам з Інституту ядерної фізики ім. Г.І. Будкера СО РАН (ІЯФ) вдалося розробити принципово нову нерезонансну установку для накопичення фотонів. Вона складається зі звичайного волоконного лазера і системи увігнутих дзеркал, розташованих один навпроти одного.

Дослідницький стенд з фотонної пасткою.

Автор ідеї та керівник досліджень Сергій Попов за роботою.

Внутрішня частина фотонів пастки - «задзеркалля».

<

>

Потрапивши між дзеркал, фотони відбиваються від них і не можуть вийти з пастки, поки не поглинуться в дзеркалах або не підуть з пастки. При цьому вдалося обійти проблеми, властиві резонансним схемами накопичення випромінювання: немає жорсткого умови ні на спектр, ні на точність установки дзеркал. Їх відхилення навіть на кілька градусів не впливає суттєво на роботу установки.

В ІЯФ створили модель накопичувача, дзеркала для якої виготовили в Інституті лазерної фізики СО РАН за участю дослідників Інституту автоматики і електрометрії СО РАН і ІЯФ. Експеримент показав, що завдяки гарному утриманню фотони відчувають в ньому близько 1000 відображень, що відповідає часу життя фотонів близько 100 наносекунд.

Використовувати даний накопичувач фотонів планується для нейтралізації іонів в системі нагріву плазми термоядерного реактора. На початку лютого дослідницька група Сергія Попова (ІЯФ) отримала рекорд по ефективності нейтралізації пучка - 98%, перевершивши межа, досяжний на інших типах нейтралізаторів.

Джерелом енергії в термоядерному реакторі служить так званий термоядерний синтез, в якому ядра дейтерію і тритію об'єднуються, утворюючи ядро ​​гелію. При цьому виділяється величезна енергія. Протікає ця реакція тільки при дуже високих температурах. Тому, щоб запустити реакцію, речовина в реакторі треба спочатку нагріти приблизно до 150 мільйонів градусів, що в десять разів більше, ніж в ядрі Сонця.

Один з основних способів розігрівання плазми до потрібних температур - це бомбардування її пучком атомів водню або дейтерію з великою швидкістю і, відповідно, енергією. У міжнародному дослідницькому термоядерному реакторі ІТЕР, який споруджується у Франції, будуть використовуватися пучки атомів з енергією 1 мегаелектронвольт.

Треба підкреслити, що тут потрібні саме електрично нейтральні атоми, оскільки плазма утримується всередині реактора за допомогою магнітного поля, яке не пропустить ззовні заряджені частинки. Але нейтральні атоми неможливо розігнати в електричному полі.

Фізики знайшли рішення цієї проблеми у використанні трехступенчатого процесу. Спочатку нейтральний газ іонізується приєднанням до атомам електронів, потім отримані негативні іони прискорюються, і на останньому етапі вони нейтралізуються, віддаючи зайвий електрон.

Для нейтралізації негативних іонів зазвичай використовується газова мішень, що представляє собою струмінь газу, проходячи крізь яку іони втрачають зайвий електрон. Недолік цього методу в тому, що значна частина негативних іонів втрачає обидва електрона, стаючи позитивно зарядженими частинками, нездатними, як уже говорилося, потрапити крізь магнітне поле в область термоядерної реакції. В результаті нейтралізується лише близько 60% іонів.

У перспективі розглядається використання плазмової мішені, але і вона зможе нейтралізувати не більше 80% часток. До того ж газ, потрапляючи в реактор, охолоджує плазму. Все це знижує коефіцієнт корисної дії установки.

Для нейтралізації іонів можна використовувати фотони, мають енергію, достатню, щоб «відірвати» зайвий електрон, але недостатню, щоб іонізувати вийшов нейтральний атом. Цей метод здатний забезпечити нейтралізацію практично 100% іонів. Але для цього необхідно забезпечити достатню кількість фотонів на шляху іонів.

Подібна задача може бути вирішена за допомогою використання накопичувачів випромінювання. Однак для високоефективного функціонування традиційних добре вивчених фотонних накопичувачів - резонаторів - необхідно дотримати дуже жорсткі умови: точно встановити дзеркала, стабілізувати їх і використовувати випромінювання з дуже вузьким спектром. Такі резонатори дуже складно побудувати, і поки не існує установок, які можна було застосувати на практиці.

Запропонована в ІЯФ фотонна пастка вирішує цю проблему. Однак її потрібно виготовити в натуральну величину і перевірити на надійність при використанні потужних пучків.

«Хоча робота стимульована завданнями, пов'язаними з термоядерної енергетикою, такі накопичувачі мають величезні перспективи для практичного застосування і в інших областях, наприклад, фотохімії, спектроскопії, лазерному поділі ізотопів», - сказав автор ідеї і керівник робіт Сергій Попов.

за матеріалами Інституту ядерної фізики ім. Г.І. Будкера СО РАН