Установлен механизм функционирования одного из главных отрицательных явлений, возникающих в работе токамаков – униполярной дуги

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.

«Униполярная дуга – это подвид вакуумной дуги, то есть электрического разряда в вакууме. Разница в том, что катод здесь является одновременно и катодом и анодом, и поэтому униполярная дуга похожа на фонтан, то есть электроны, вылетая из катодного пятна, возвращаются на поверхность, циркулируя, как вода в фонтане. В термоядерных установках вакуумные условия очень хорошие, и поэтому эрозия поверхностей и разряд в материалах поверхностей играют большую роль. В токамаках униполярная дуга образуется в материале первой стенки, то есть той, что обращена к плазме», – объясняет научный сотрудник Лаборатории импульсных процессов ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Цвентух.

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.

«До недавнего времени, – рассказывает Михаил Цвентух, – хороших экспериментальных данных ни о возникновении униполярных дуг, ни о частоте их появления не было. И объяснение фактически сводилось к тому, что явление сложное, непонятное, трудно наблюдаемое, и потому его нужно воспринимать как должное. В экспериментах на японской установке учитывались два важных фактора. Во-первых, неоднородность поверхности. Дело в том, что под действием плазмы на поверхности образуется наноструктура, а это облегчает инициирование и поддержание униполярной дуги. И, во-вторых, учитывалось то, что плазма в токамаке пытается сбросить вложенную в нее энергию наружу. Ведь удержание – это “противоестественный” процесс, так как на самом деле природа стремится сгладить все градиенты. В частности, для того, чтобы сбросить часть энергии плазма в токамаках проявляет так называемую магнитогидродинамическую активность – на поверхность стенки токамака периодически выплескиваются сгустки плазмы – ЭЛМ-ы (ELM-s – edge localized modes), которые приносят во много раз больше энергии, чем в среднем поток плазмы. Так вот, когда плазма ударяется о поверхность, то униполярные дуги инициируются особенно хорошо. И это было хорошо видно в последних экспериментах».

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.