Испытания опытной установки ELISE ускорят пуск реактора термоядерного синтеза ITER

Новая экспериментальная установка ELISE, созданная неподалеку от Мюнхена учеными и инженерами Института физики плазмы Макса Планка (Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP), служит для проверки и отработки технологий, которые будут использованы в создании нового реактора термоядерного синтеза ITER, сооружение которого ведется сейчас на юге Франции. Установка ELISE станет прототипом устройства, которое будет нагревать плазму внутри реактора ITER до температур, превышающих температуру в ядре Солнца.

C помощью установки ELISE (Extraction from a Large Ion Source) будет выполнена проверка инжекторов нейтральных частиц (neutral particle injectors), устройств, которые будут разгонять нейтральные атомы водорода и стрелять ими в плазму, находящуюся в центре реактора. Атомы водорода будут сталкиваться с частицами плазмы и передавать им часть кинетической энергии, что вызовет подъем температуры до весьма высокого значения.

Инжекторы нейтральных частиц - это один из основных способов нагрева плазмы в реакторах термоядерного синтеза. С помощью метода инжекции можно достичь температуры плазмы из ионов водорода, превышающей 100 миллионов градусов Кельвина, при которой энергии движения ионов достаточно для преодоления сил электростатического отталкивания и для сближения ядер вещества на расстояние, достаточное для начала ядерного синтеза.

В реакторе ITER будет установлено два инжектора нейтральных лучей, но, поскольку реактор ITER имеет в восемь раз больший объем, чем объем самого большого существующего реактора, реактора JET (Joint European Torus), расположенного в Великобритании, то инжекторы ITER должны иметь большую мощность и большие размеры для того, что бы "закачать" 16.5 МВт энергии в плазму, объемом 800 кубических метров. "Если существующие инжекторы условно приравнять к размеру тарелки, то инжекторы ITER должны иметь размер двери" - рассказали в пресс-релизе представители IPP.

Инжекторы нейтральных частиц работают, ускоряя ионы водорода, имеющие электрический заряд, с помощью магнитных полей. А непосредственно перед выпуском ускоренного луча в плазму ионы водорода превращают в нейтральные атомы, давая им возможность захватить свободный электрон. Инжекторы реактора ITER должны будут разогнать ионы водорода до скорости 9000 км/сек, приблизительно в четыре раза больше, чем это делают существующие инжекторы других реакторов. Только на такой скорости луч атомов водорода будет нести энергию, достаточную для проникновения и разогрева центра плазменного шнура.

В установке ELISE, которую строят в Гархинге уже три года, будет проверен новый тип источников ионов для инжектора. В предыдущих экспериментах в области термоядерного синтеза использовалось ускорение ионов водорода, несущих положительный электрический заряд. Такие ионы весьма стабильны, но чем быстрее они разогнаны, тем труднее ему захватить свободный электрон и нейтрализовать свой электрический заряд. Поэтому в инжекторах реактора ITER будут разгоняться ионы, несущие отрицательный электрический заряд, ионы, заряд которых значительно легче нейтрализовать, но они менее стабильны и их более трудно контролировать. Дополнительный электрон, придающий частице отрицательный заряд, связан с ядром атома очень слабо и легко отделяется, после чего частицу становится невозможным разгонять дальше до более высокой скорости.

Исследователи из IPP разрабатывали источник отрицательных ионов, начиная с 2007 года. В настоящее время разработанный ими источник был усовершенствован для использования в составе инжектора реактора ITER. А тот источник, который будет проверен на установке ELISE, имеет размеры в два раза меньшие, чем устройство, которое будет работать в реакторе ITER. Этап исследований и испытаний нового источника отрицательных ионов и инжектора нейтральных частиц на установке ELISE займут приблизительно два года времени.

После этого реализацией разработанных и проверенных технологий займутся другое учреждение, итальянское Национальное агентство новых технологий (Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development), под руководством которого будут созданы и установлены в реакторе ITER рабочие инжекторы. А первые пуски реактора, согласно планам, должны будут начаться в 2020 году.