В сфере ядерной физики произошёл значительный прорыв: учёные Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в ходе уникальных экспериментов на установках Газодинамической ловушки (ГДЛ) и Газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ) значительно расширили наши знания о взаимодействии нейтрального газа с плазмой. Это открытие не только опровергло ряд прежних теоретических предпосылок, но и вселяет оптимизм относительно будущего термоядерной энергетики и создания доступных, эффективных установок для удержания плазмы.
Кардинальные изменения в теории удержания плазмы
Главной задачей, стоящей перед ИЯФ СО РАН, является разработка эффективного концепта термоядерного реактора, где удержание плазмы происходит в открытой магнитной ловушке без необходимости использования радиоактивного трития. Для движения в этом направлении был создан масштабный научно-инфраструктурный проект — Газодинамическая многопробочная ловушка (ГДМЛ). Именно здесь накапливаются инновационные мировые достижения в изучении открытых магнитных систем удержания плазмы.
Высокий вакуум в расширителе магнитной ловушки — неотъемлемое условие работы установки. Раньше считалось, что даже незначительное количество нейтрального газа значительно ухудшает параметры плазмы, снижая её температуру и увеличивая энергетические потери. Поэтому первоначальные оценки требовали откачивать нейтральный газ с огромной скоростью — миллионы литров в секунду, что существенно усложняло техническую реализацию и увеличивало стоимость проекта.
Революционные результаты экспериментов на ГДЛ
Новейшие исследования сотрудников института на экспериментальной установке ГДЛ позволили полностью пересмотреть эти требования. Эксперименты убедительно показали: влияния нейтрального газа на температуру и качество плазмы оказалось значительно меньше, чем ожидалось. Даже при уменьшении скорости откачки почти в 100 раз уровень потерь практически не увеличивался, а ключевые параметры плазмы оставались стабильно высокими. Это открытие стало настоящим научным прорывом, показав, что плазма ведёт себя в условиях взаимодействия с нейтральным газом очень активно и динамично, гораздо сложнее, чем это предполагали прежние модели.
Один из главных выводов заключался в следующем: горячая плазма сталкивается с потоком нейтрального газа не пассивно, а напротив — выталкивает его из центральной части расширителя к стенкам, тем самым частично перенося функцию по откачке на себя. Благодаря такому «самоочищению», стало ясно, что нет необходимости использовать экстремальные мощности для удаления газа — достаточно поддерживать скорость откачки на уровне сотен литров в секунду, что существенно сокращает требования к инженерной части комплекса и даёт дополнительные плюсы по надёжности и снижению стоимости.
Разработка новых теоретических моделей
Практические результаты спровоцировали развитие совершенно новых теоретических концепций. Ранее сложившиеся математические модели, описывающие поведение нейтрального газа, оказались слишком упрощёнными. Новый подход требует построения более сложных моделей, включающих физическую картину движения отдельных частиц и молекул в объёме расширителя, с учётом их взаимодействия с плазмой как в тепловом, так и в кинетическом аспектах.
Учёные ИЯФ СО РАН создали упрощённую схему описания, в которой молекулы газа моделируются как твёрдые частицы, сталкивающиеся с плазменными образованиями. Исследования показали хорошее совпадение теоретических прогнозов с экспериментальными наблюдениями. В результате стало понятно, что именно активное вытеснение газа к стенам расширителя плазмой определяет минимизацию потерь, а не просто эффективность работы вакуумных систем.
Перспективы для индустрии: удешевление и упрощение инженерных решений
Главный итог этих открытий — позитивные перспективы для инженерии будущих мегасайенс-проектов. Можно отказаться от сложных и дорогих систем по сверхбыстрой откачке нейтрального газа, свести технические требования к более простым, надёжным и менее затратным решениям. Это не только ускоряет путь к созданию современных термоядерных реакторов, но и делает технологии удержания плазмы доступнее для исследователей со всего мира.
Дополнительно разрабатывается более развёрнутая теория, учитывающая все аспекты кинетики взаимодействия нейтрального газа не только с плазмой, но и между его частицами вне границ плазменного объёма. Такой подход позволит получить универсальную теоретическую модель, применимую для всевозможных типов магнитных ловушек открытого класса.
Оптимистичный взгляд в будущее науки и технологий
Открытие ИЯФ СО РАН стало значимым вкладом в наращивание потенциала отечественной и мировой науки в области управляемого термоядерного синтеза. Коррекция прежних теорий, а также расширение круга допустимых инженерных решений открывает новые горизонты для масштабных проектов, связанных с развитием альтернативной энергетики. Новые знания помогут проектировать более устойчивые, простые в эксплуатации и экономичные установки, необходимые для практического освоения термоядерной энергии в ближайшем будущем.
С учётом возможностей, которые открывает развитие ГДМЛ и ГДЛ, а также успешной апробации новых теоретических оснований, можно ожидать значительный скачок в области создания мощных термоядерных комплексов и технологических платформ для удержания плазмы.
Вклад ИЯФ СО РАН и российской науки
Институт ядерной физики СО РАН вновь подтвердил свой статус одного из ведущих мировых центров по фундаментальным исследованиям в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Современные эксперименты, сопровождающиеся вариативными теоретическими подходами, позволяют не только решать актуальные научные задачи, но и закладывают фундамент для инженерных решений, которые будут востребованы и реализованы на практике уже в ближайшие годы.
Сегодняшние успехи научной группы — это шаг к новым стандартам в науке и технологии, «строительный кирпичик» в фундаменте будущего устойчивого и чистого энергоснабжения всей планеты. Перспективы, открывающиеся благодаря новым данным об особенностях взаимодействия плазмы и нейтрального газа, ярко демонстрируют, что российская фундаментальная наука занимает лидирующие позиции на мировой арене исследований плазменных процессов.
