Исследователи из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Института прикладной физики РАН проанализировали физику удержания энергичных ионов в открытой магнитной ловушке ГДЛ. Авторы разработали новый метод диагностики и планируют применить его для физических исследований, направленных на достижение предельных параметров высокотемпературной плазмы. Это важно, например, для использования ГДЛ в качестве источника нейтронов для термоядерного синтеза. Результаты поддержанной грантом Российского научного фонда работы представлены в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.

Открытая магнитная ловушка ГДЛ (газодинамическая ловушка) входит в Комплекс ДОЛ (Длинные открытые ловушки) ИЯФ СО РАН и является прототипом источника термоядерных нейтронов. В будущем такие установки найдут применение в материаловедческих исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза. При дальнейшем улучшении характеристик их можно применять для глубокой переработки ядерных отходов, создания гибридного энергетического реактора по схеме синтез-деление, а также реактора ядерного синтеза.

На данный момент ученые уже создали компьютерные модели, которые описывают поведение энергичных ионов. Однако для проверки физических идей, которые лежат в основе этих моделей и проектирования настоящего нейтронного источника, физики должны сравнить результаты расчетов с экспериментом. Для этого нужно разработать метод измерения функции распределения энергичных ионов по скоростям. Чтобы сделать это, исследователи предлагают использовать бесконтактное измерение в объеме ловушки, основанное на так называемом методе коллективного рассеяния — регистрации рассеяния излучения миллиметрового диапазона.

«В последнее время на установке ГДЛ мы смогли увеличить время удержания энергичных ионов и нейтронный выход (до 80%) за счет нагрева электронов с помощью СВЧ-волн, — говорит руководитель проекта, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы ИПФ РАН Александр Шалашов. — При этом крайне важно исследовать функцию распределения энергичных ионов в ловушке, так как распределение ионов по скоростям формируется в основном за счет их соударений с электронами мишенной плазмы. Необходимо напрямую измерять эту функцию, чтобы уточнить существующие представления об удержании горячих ионов в ловушке в новом диапазоне параметров плазмы. От решения этих вопросов зависит стратегия оптимизации режимов работы установки ГДЛ и других установок на базе открытых магнитных ловушек с атомарными пучками».

В новом исследовании физики предложили метод измерения ионной функции распределения, который достаточно широко используется в тороидальных магнитных системах — токамаках и стеллараторах. Ранее ученые из коллектива уже измеряли ионную температуру методом коллективного рассеяния на стеллараторе Wendelstein 7-AS (Германия) и исследовали аномальные спектры коллективного рассеяния на токамаке FTU (Италия). Для открытых магнитных систем метод будет применяться впервые.

На данный момент диагностика находится на этапе проектирования и разработки ключевых узлов. Авторы смоделировали спектры, которые могут быть получены в условиях эксперимента на ГДЛ, а также провели ряд экспериментов по измерению спектра излучения СВЧ-источника и мощности его рассеянного излучения в камере ГДЛ. По словам авторов, проверить теоретические знания о распределении горячих ионов в ГДЛ очень важно, поскольку они заложены и в концепцию проектируемых установок, в частности в комплекс разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы ГДМЛ, который создается в ИЯФ СО РАН.