Ученые Института ядерной физики СО РАН создали фотонную ловушку, идея которой родилась из аналогии с открытыми плазменными ловушками и простейшим бильярдом, сообщает пресс-служба института.

В термоядерном реакторе должно выделяться энергии больше, чем затрачивается на нагрев плазмы. Чтобы достигнуть этого, необходимо нагреть плазму до очень большой температуры. Один из основных способов нагрева – введение в плазму пучка нейтральных атомов водорода или дейтерия большой мощности. Для получения таких атомов нужно ускорить отрицательные ионы водорода или дейтерия, а потом нейтрализовать их, то есть оторвать лишний электрон от отрицательного иона. Ученые Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали принципиально новую установку для нейтрализации частиц, – нерезонансную адиабатическую фотонную ловушку. С ее помощью можно существенно улучшить КПД инжектора пучка для нагрева плазмы.

В экспериментах для нейтрализации отрицательных ионов используются, как правило, газовые мишени. Однако они позволяют достичь не более 60% при необходимой энергии частиц около 1 МэВ, что существенно ограничивает КПД таких инжекторов. Практически полной нейтрализации можно добиться при использовании фотонной мишени, в которой световое излучение обдирает лишние электроны с отрицательных ионов. 

Нейтрализация с помощью резонансного накопления излучения, когда нейтрализатор является, по сути, частью лазерного резонатора, оказалась труднореализуемой задачей, поэтому ученые ИЯФ СО РАН предложили свою схему фотонной мишени – фотонную ловушку, идея которой родилась из аналогии с открытыми плазменными ловушками и простейшим бильярдом. Установка состоит из обычного волоконного лазера и системы вогнутых зеркал, расположенных друг напротив друга. Попадая в это «зазеркалье», фотоны отражаются от стенок, как мячик. Они не могут выйти из ловушки и живут в ней до тех пор, пока не поглотятся в зеркалах или потеряются из ловушки. При этом удается обойти проблемы, свойственные резонансным схемам накопления излучения.

Студентка НГУ, лаборант ИЯФ СО РАН Мария Ушкова. Фото - Наталья Купина.

Ученые ИЯФ СО РАН разработали и создали модель такой установки, ее длина – 25 см, ширина – 5 см и высота 3 см. Зеркала были изготовлены в Институте лазерной физики СО РАН с участием исследователей Института автоматики и электрометрии СО РАН и ИЯФ СО РАН. Для проверки идеи через ловушку с накопленными фотонами пропускался пучок отрицательных ионов водорода с энергией 10 килоэлектронвольт. 

«В ходе экспериментов мы убедились, что принцип адиабатического удержания фотонов работает, измерили порог разрушения зеркал и время жизни фотона внутри ловушки. Фотон движется внутри ловушки со скоростью света. Если бы он проходил ее насквозь, то время его жизни там составило бы около 0,1 наносекунды. Но за счет хорошего удержания внутри системы фотоны находятся там почти в 1000 раз дольше –100 наносекунд. Это и есть показатель того, что принцип адиабатического удержания работает. Ученые ИЯФ СО РАН первые предложили эту идею и проверили ее в эксперименте. Хотя работа стимулирована задачами, связанными с термоядерной энергетикой, такие накопители имеют огромные перспективы для практического применения и в других областях, например, фотохимии, спектроскопии, лазерном разделении изотопов», – рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, автор идеи и руководитель работ Сергей Сергеевич Попов.

В начале февраля исследовательская группа Сергея Попова получила рекорд по эффективности нейтрализации пучка – 98 %. Они превзошли предел, который достижим на других типах нейтрализаторов.

Старший лаборант, аспирант ИЯФ СО РАН Магомедризы Атлуханов. Фото - Наталья Купина.

В международном исследовательском термоядерном реакторе ИТЭР, который сооружается во Франции, будут использоваться пучки атомов с энергией 1 мегаэлектронвольт. «При таких энергиях газовая мишень может обеспечить степень нейтрализации не более 60 %, а предложенная в ИЯФ СО РАН фотонная ловушка – практически до 100%. Это существенно отразится на экономической эффективности будущей термоядерной электростанции», – комментирует участник эксперимента, аспирант ИЯФ СО РАН Магомедризы Гаджимурадович Атлуханов.

Размеры полномасштабной фотонной ловушки, которая может использоваться в инжекторе пучка реактора, должны быть гораздо больше созданной модели. Чтобы перенести систему на такие масштабы, нужно убедиться, что при взаимодействии мишени с мощным пучком она не будет разрушаться. На небольших установках предстоит проверить, насколько эта система надежна, и как долго она сможет работать. Стоимость фотонной мишени для реакторного пучка будет очень высокой, но она окупится в долгосрочной перспективе, потому что существенно увеличит эффективность нагрева плазмы.

Источник: press.inp.nsk.su

Похожие новости

  • 14/06/2018

    В СО РАН продолжается обсуждение проектов развития исследовательской инфраструктуры ННЦ

    ​Проект Сибирского национального центра высокопроизводительных вычислений, обработки и хранения данных (СНЦ ВВОД) представил заместитель председателя СО РАН академик Павел Владимирович Логачёв. «В современных исследованиях во всех областях знаний научные данные являются ключевым драйвером, — подчеркнул координатор проекта.
    1248
  • 07/03/2016

    В ИЯФ СО РАН разработали ключевые компоненты нового коллайдера

    ​ ​В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН созданы вакуумные камеры, корректирующие магниты, электроника регистрации и программное обеспечение для установки SuperKEKB, которая монтируется в японской Лаборатории физики высоких энергий (КЕК) в Цукубе.
    2873
  • 15/12/2016

    2,4 га будут переданы сотрудникам 30-ти институтов Сибирского отделения РАН

    ​В Новосибирской области на территории Академгородка, одного из важнейших научных центров России, к 2021 году будут построены три многоквартирных жилых дома для 311 работников 30 институтов Сибирского отделения Российской академии наук, являющихся участниками жилищно-строительного кооператива "Бозон".
    2720
  • 20/05/2019

    Городские дни науки-2019: КЛАССный учёный

    С 2017 года в рамках городских дней науки проходят выездные лекции для школьников — проект «КЛАССный ученый». Он создан для того, чтобы ученики разных школ Новосибирска узнали, что такое настоящая наука, какие работы в разных областях знаний сейчас находятся на передовом её крае, а также вживую пообщались с исследователями из научных институтов, вузов и образовательных организаций нашего города.
    863
  • 08/08/2016

    Анатолий Шалагин: аддитивные технологии открывают перед человечеством принципиально новые возможности

    ​Директор Института автоматики и электрометрии СО РАН академик Анатолий Михайлович Шалагин из тех, кто не любит много говорить, а сразу предлагает пройтись по лабораториям. "Лучше один раз увидеть", - считает он .
    3412
  • 24/06/2019

    Новая лаборатория ИК СО РАН примет участие в подготовке кадров для синхротрона

    ​Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования, созданная в конце 2018 года в Институте катализа Сибирского отделения РАН, займется разработкой стратегии использования синхротрона и подготовкой кадров для Центра коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (ЦКП "СКИФ"), входящего в нацпроект "Наука", сообщил ТАСС директор Института катализа СО РАН Валерий Бухтияров.
    566
  • 06/10/2015

    К ядерному синтезу

    ​Частная калифорнийская компания Tri Alphа Energy разрабатывает оригинальную установку для термоядерного синтеза, в которой для удержания плазмы используется "обращенное магнитное поле" (Field Reversed Conеguration).
    1589
  • 07/10/2016

    Новосибирские ученые изготовят блоки аэрогеля для эксперимента

    ​Специалисты Института ядерной физики СО РАН и Института катализа СО РАН изготовят блоки аэрогеля для эксперимента CLAS12 Национальной лаборатории Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility, США, Вирджиния).
    1603
  • 15/12/2015

    Физики НГУ будут изучать процессы с участием самых легких мезонов

    ​НГУ и Институт ядерной физики СО РАН присоединились к эксперименту KLOE-2 по изучению "легчайших из тяжелых" - сильно взаимодействующих элементарных частиц каонов и пионов, которые относятся к классу мезонов.
    2427
  • 15/12/2015

    Сибирские ученые работают над созданием атомных часов

    ​Как правило, в условиях нестабильности и геополитических конфликтов к достижениям науки и техники повышается интерес со стороны общества и государства. Сибирские ученые не потерялись в модном последнее время в нашей стране тренде на импортозамещение, и уже почти год занимаются созданием прототипа малогабаритных атомных часов, размером со спичечный коробок.
    2196