Новое изобретение обеспечит стационарный режим работы инжекторов атомов для нагрева плазмы в термоядерных установках

«Для осуществления термоядерной реакции необходимо нагреть водородную плазму до температуры в сотни миллионов градусов. Наиболее эффективным способом нагрева является инжекция пучков быстрых атомов, которые получаются методом ускорения первичных ионных пучков водорода до высоких энергий с последующим преобразованием их в атомы посредством нейтрализации, – прокомментировал ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Петр Дейчули. – Есть еще один-два способа, например, нагрев высокочастотным излучением, но они достаточно сложны физически и технически, особенно на самых высоких мощностях и температурах плазмы. В свое время специалисты ИЯФ разработали ряд технологических решений и создали целую серию атомарных инжекторов, которые стали использоваться по всему миру. Иметь у себя на установке будкеровский инжектор в мировом плазменном сообществе считается хорошим тоном. Но это были инжекторы для импульсных магнитных систем, в которых плазма удерживается в горячем состоянии одну-две секунды».

«В связи с этим возникла потребность в разработке и создании усовершенствованных инжекторов мощных атомарных пучков, которые смогут работать в стационарном режиме, – пояснил Петр Дейчули. – В первую очередь требовала изменений ИОС инжектора, в которой происходит самое важное – она вытягивает положительные ионы из плазмы, ускоряет их до нужной нам энергии и формирует пучок предельно малой расходимости. Система эта очень чувствительна к температурным нагрузкам. На данный момент нашей группой предложена новая технологичная конструкция ионно-оптической системы для инжектора, который разрабатывается в рамках прикладных государственных заданий Минобрнауки, заказчикам которых является ГК «Росатом».

«Возможная длительность работы ионно-оптической системы определяет длительность работы инжектора в целом, – прокомментировал ведущий инженер-конструктор ИЯФ СО Владислав Амиров. – И в первую очередь это зависит от того, как длительно электроды смогут сохранять свою геометрическую форму, потому что их нагрев и последующая деформация – самое страшное (губительное) для системы. Причиной нагрева являются вторичные частицы, которые рождаются в процессе вытягивания, формирования и ускорения первичного ионного пучка. Именно они существенно нагревают электроды. Для инжекторов нового поколения мы разработали новую ионно-оптическую систему, в которой реализован ряд технических и конструктивных решений, позволяющих поддерживать уровень деформаций электродов на приемлемом уровне. Во-первых, мы разбили эмиссионную площадь большого размера на сегменты, что само по себе дало снижение деформации. Во-вторых, каждый сегмент оснастили внутренними каналами охлаждения, в которых возможно поддержание необходимого уровня интенсивности теплообмена, и обеспечили подвод к ним требуемого расхода охлаждающей жидкости».

«Благодаря компетенциям и опыту коллектива ИЯФ нам удалось разработать новую конструктивную схему ионно-оптической системы инжекторов быстрых атомов для экспериментов со стационарным нагревом и удержанием плазмы, – добавил Владислав Амиров. – В процессе создания системы была использована разработанная нами методика программного моделирования. Ее эффективность подтверждена надежной работой ионно-оптических систем в инжекторах, использующихся в различных экспериментах. Методика позволяет моделировать поведение электродов в условиях реальных нагрузок, вносить нужные улучшения в конструкцию. Таким образом мы избегаем дорогостоящих и длительных циклов разработки типа “проектирование – изготовление – испытание”, существенно сокращая срок создания системы. На данный момент заканчивается производство компонентов ионно-оптической системы в экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН».

«Патент – это не только юридическая защита изобретения, но еще и репутация автора и научно-исследовательской организации как патентообладателя, – пояснила специалист по интеллектуальной собственности ИЯФ СО РАН Любовь Костикова. – Существует три объекта патентного права: изобретение, полезная модель и промышленный образец. Изобретение – это абсолютно новое устройство или способ, которые имеют изобретательский уровень и промышленно применимы; полезная модель – новое техническое решение, относящееся только к устройству; промышленный образец – новый внешний вид изделия. Авторы ионно-оптической системы для ионных источников получили патент на изобретение. Данная заявка была интересна тем, что она имеет высокий технический уровень, ее патентоспособность не вызывала сомнений и работа выполнена в тесном сотрудничестве научных сотрудников и конструкторов ИЯФ. Радует, что российские НИИ стали чаще патентовать свои работы, в том числе ИЯФ СО РАН. В 2023 г. мы получили 10 патентов, в 2024 г. их будет чуть больше. Цифры не впечатляют, но для нас это положительный тренд, потому что наш институт имеет огромный потенциал в сфере интеллектуальной собственности, а ранее запатентованных работ было значительно меньше».