​​
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) реализуют проект, посвященный исследованию физики удержания энергичных ионов в открытой магнитной ловушке ГДЛ (газодинамическая ловушка) ИЯФ СО РАН. Основная цель работы – демонстрация нового метода измерения распределения ионов по скоростям за счет зондирования плазмы мощным микроволновым излучением. Новый метод диагностики планируется применить для физических исследований, направленных на достижение предельных параметров высокотемпературной плазмы, необходимых для термоядерных приложений, например, использования ГДЛ как мощного источника термоядерных нейтронов. На данный момент специалисты провели теоретический анализ и воспроизвели будущий эксперимент в компьютерной модели. Первые результаты работы опубликованы в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Работы поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). 

ГДЛ_фото_Е._Бионышевой.jpg 
Установка ГДЛ. Фото Елены Бионышевой

Открытая магнитная ловушка ГДЛ (Газодинамическая ловушка), входящая в Комплекс ДОЛ (Длинные открытые ловушки) ИЯФ СО РАН, является прототипом источника термоядерных нейтронов. Такие источники могут использоваться для материаловедческих исследований по программе управляемого термоядерного синтеза (УТС). При дальнейшем улучшении характеристик их можно применять для дожигания радиоактивных элементов, то есть глубокой переработки ядерных отходов, для создания гибридного энергетического реактора, работающего по схеме синтез-деление, и, в перспективе, реактора ядерного синтеза. Исследования ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН способны повысить перспективность открытых магнитных систем для задач УТС.

«ГДЛ может работать в качестве нейтронного источника только благодаря энергичным ионам. У каждого энергичного иона в открытой магнитной ловушке простая функция – столкнувшись с другим ионом в результате термоядерной реакции привести к рождению нейтрона, а задача нейтронного источника, как ни банально это звучит – получение как можно большего количества нейтронов, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Соломахин. – Наибольшей концентрации энергичные ионы достигают на концах открытой магнитной ловушки, в магнитных пробках, в своих точках разворота. Именно это является преимуществом ГДЛ перед другими термоядерными источниками нейтронов, так как сами по себе эти частицы не очень приятная вещь с точки зрения безопасности для персонала и элементов конструкции установки. Потребителей нейтронов ГДЛ можно расположить вблизи места концентрации, на концах установки, а в остальных частях малый нейтронный поток позволяет легко от него защититься».

На данный момент разработаны численные коды, которые моделируют поведение энергичных ионов, но для проверки физических идей, заложенных в эти коды, и проектирования настоящего нейтронного источника физики должны сравнить результаты расчетов с экспериментом. Для этого им необходимо научиться измерять функцию распределения энергичных ионов – узнать сколько в ловушке ионов и какие у них скорости. Ученые предлагают использовать бесконтактное измерение функции распределения горячих ионов в объеме ловушки, основанное на так называемом методе коллективного рассеяния – регистрации рассеяния миллиметрового излучения мощного гиротрона на флуктуациях электронной плотности.

«В последнее время на установке ГДЛ достигнут значительный прогресс во времени удержания энергичных ионов и в нейтронном выходе (до 80%) за счет нагрева электронов при помощи СВЧ-волн, – рассказывает руководитель проекта, заведующий сектором СВЧ методов нагрева плазмы ИПФ РАН, доктор физико-математических наук Александр Шалашов. – При этом задача исследования функции распределения энергичных ионов в ловушке становится одной из первостепенных, так как распределение ионов по скоростям формируется в основном за счет их соударений с электронами мишенной плазмы. Прямое измерение функции распределения необходимо для уточнения существующих представлений об удержании горячих ионов в ловушке в новом (только что достигнутом для открытых ловушек) 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 том числе входящих в Комплекс ДОЛ ИЯФ СО РАН, и развитие направления в целом».

Предлагаемый метод измерения ионной функции распределения достаточно широко используется в тороидальных магнитных системах: токамаках и стеллараторах. Коллектив ИПФ РАН был инициатором пионерских экспериментов по измерению ионной температуры методом коллективного рассеяния на стеллараторе Wendelstein 7-AS (Германия) и исследованию аномальных спектров коллективного рассеяния на токамаке FTU (Италия). Для открытых магнитных систем метод будет применяться впервые.

«Для зондирования плазмы мы используем электромагнитные волны СВЧ диапазона. На такой высокой частоте поле волны может взаимодействовать только с электронами, но тем не менее мы видим ионы, – поясняет Александр Шалашов. – Это становится возможным, так как движущийся в плазме ион создает волны в жидкости из электронов примерно также, как корабль – на поверхности воды. Мы наблюдаем эти волны, состоящие в коллективном движении очень большого числа электронов, и делаем вывод об источниках этих волн, то есть ионах. В этом, например, принципиальное отличие от рассеяния лазерного излучения, давно применяемого для диагностики плазмы, в том числе и на ГДЛ. С лазером мы видим отдельные электроны, поэтому можем определить только их энергию и количество, а когда для зондирования плазмы вместо лазера мы используем генератор когерентного микроволнового излучения – гиротрон, то видим среди прочего и волны электронов, образуемые вслед движущимся ионам».

На данный момент диагностика находится на этапе проектирования и разработке ключевых узлов. «Нами было проведено моделирование спектров, которые могут быть получены в условиях эксперимента на ГДЛ, также был проведен ряд экспериментов по измерению спектра излучения гиротрона и мощности рассеянного излучения гиротрона в вакуумной камере ГДЛ. Создан специализированный приемник рассеянного излучения, сейчас проходит его тестирование на стенде в ИПФ РАН. Сейчас идет конструкторская проработка элементов квазиоптических трактов для зондирования и приема излучения. Модернизация установки ГДЛ под этот проект намечена на конец 2020 г.», – пояснил руководитель проекта.

По словам авторов, проверить теоретические знания о распределении горячих ионов в ГДЛ очень важно, поскольку они заложены и в концепцию следующих (проектируемых) установок, в частности, в комплекс разработки новых технологий удержания термоядерной плазмы ГДМЛ, проектируемый в ИЯФ СО РАН.

Источники

Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Российский научный фонд (рнф.рф), 08/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Российский научный фонд (rscf.ru), 08/05/2020
Новосибирские и нижегородские физики прозондируют высокотемпературную плазму микроволновым излучением
Seldon.News (news.myseldon.com), 08/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 08/05/2020
Нововосибирские ученые углубили понимание возможностей нейтронного источника
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 09/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Наука в Сибири (sbras.info), 12/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 11/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника.
Advis.ru, 12/05/2020
Новый эксперимент физиков Академгородка
Академгородок (academcity.org), 13/05/2020
Новый эксперимент физиков Академгородка
Seldon.News (news.myseldon.com), 13/05/2020
Физики улучшили понимание работы прототипа источника нейтронов
Индикатор (indicator.ru), 13/05/2020
Физики улучшили понимание работы прототипа источника нейтронов
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 13/05/2020
Физики смогли улучшить понимание работы прототипа источника нейтронов
Anonsens.ru, 13/05/2020
Физики улучшили понимание работы прототипа источника нейтронов
Новости 24/7 (news24-7.ru), 13/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 14/05/2020
Физики улучшили понимание работы прототипа источника нейтронов
Nanonewsnet.ru, 14/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Nanonewsnet.ru, 16/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
Научная Россия (scientificrussia.ru), 15/05/2020
Новый эксперимент улучшит понимание работы прототипа нейтронного источника
События дня (inforu.news), 15/05/2020

Похожие новости

  • 16/09/2016

    Российские ученые создали прибор для измерения длины сгустка частиц в ускорите

    ​Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) при поддержке гранта РНФ разработали новое поколение высокоскоростных электронно-оптических приборов для диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц - диссектор на основе стрик-камеры.
    2304
  • 17/10/2019

    Кремниевый детектор в 5 раз улучшил качество «картинки» на станции синхротронного излучения

    Ученые Института ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) и НГТУ НЭТИ разработали и изготовили детектор рентгеновского излучения на основе кремниевого микрополоскового сенсора для синхротронной станции «Плазма» на накопителе ВЭПП-4.
    587
  • 26/12/2016

    В ИЯФ СО РАН разрабатывают новый способ лечения опухолей мозга

    ​Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН исследуют метод микропучковой рентгеновской терапии злокачественных опухолей мозга. Уже проведены пробные эксперименты по облучению клеточных культур глиомы человека с добавлением наночастиц оксида марганца.
    2065
  • 11/10/2018

    Новый способ получения наноразмерных порошков и суспензий с помощью терагерцового излучения

    Специалисты Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН провели серию экспериментов, в ходе которых образцы различных твердых материалов с тонким слоем воды на поверхности — среди них, например, латунь, свинец, а также углерод — облучали сфокусированным терагерцовым излучением.
    740
  • 16/04/2019

    Как синхротронное излучение помогает науке

    ​Половина Нобелевских премий в молекулярной биологии за последние 20 лет отдана синхротронному излучению (СИ). Ученый Анатолий Снигирев рассказал, как получают рентгеновские лучи необходимых параметров и в чем преимущество проектов источников СИ четвертого поколения, реализуемых в России.
    824
  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    2277
  • 19/07/2019

    В ИЯФ СО РАН создают установку для щадящего избавления пациентов от рака

    Иногда путь перспективных, казалось бы, технологий в повседневную реальность тернист. Достаточно вспомнить управляемый термоядерный синтез. Особенно обидно, когда речь идет о спасении человеческих жизней, а методика лечения многие десятилетия остается экспериментальной.
    572
  • 06/04/2017

    Германия выделит новосибирским ученым-ядерщикам 30 миллионов евро на совместные научные разработки

    Один из примеров сотрудничества - проект рентгеновского лазера, успешно развивающийся  в Гамбурге. Это оборудование, которое сможет помочь изучить структуру любого вещества одним пучком света, было изготовлено в столице Сибири.
    1975
  • 05/09/2018

    Новосибирские физики в борьбе за «полезный» атом

    ​Мы уже обращали внимание на одно парадоксальное обстоятельство. Россия - одна из немногих стран, занимающих ведущие позиции в области ядерной физики. Здесь работают признанные во всем мире специалисты-ядерщики.
    729
  • 15/05/2020

    Бактерии из камчатских гейзеров оказались устойчивы к терагерцовому излучению

    Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Института ядерной физики им. Г. И  Будкера СО РАН провели серию экспериментов по облучению термофильных (живущих при относительно высоких температурах — от 45°С) микроорганизмов мощным терагерцовым излучением.
    354