УИИ — Управляемый ионный источник¶

УИИ (управляемый ионный источник) — установка в физике плазмы, в которой ионизированный газ (плазма) удерживается и нагревается с помощью электромагнитных полей с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемых термоядерных реакций синтеза лёгких ядер. Термин «УИИ» является русским эквивалентом англоязычного обозначения ICR (Ion Cyclotron Resonance) или, в более широком смысле, обозначает семейство установок магнитного удержания плазмы, работающих в диапазоне ионно-циклотронных частот.

¶Историческая справка

Идея удержания плазмы в магнитной ловушке для осуществления термоядерного синтеза возникла в 1950-х годах одновременно в СССР, США и Великобритании. В СССР пионерами в этой области были И. В. Курчатов, А. Д. Сахаров и Л. А. Арцимович, руководивший созданием первых токамаков. Параллельно с токамаками разрабатывались альтернативные схемы удержания — стеллараторы, зеркальные ловушки и установки, использующие электромагнитные волны для нагрева плазмы.

Установки на основе ионно-циклотронного резонанса (ИЦР) начали создаваться в конце 1950-х — начале 1960-х годов. В СССР работы по ИЦР-нагреву плазмы вёл коллектив под руководством В. Е. Голантья в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ, ныне — НИЦ «Курчатовский институт»). Первые эксперименты показали, что ионно-циклотронные волны эффективно передают энергию ионам плазмы, что делает этот метод перспективным для нагрева плазмы до термоядерных температур (свыше 100 млн градусов).

¶Принцип работы

В основе работы УИИ лежит резонансное взаимодействие между ионами плазмы и электромагнитными волнами, частота которых близка к циклотронной частоте ионов в магнитном поле. Циклотронная частота определяется формулой:

ω = qB / m

где q — заряд частицы, B — индукция магнитного поля, m — масса частицы. При совпадении частоты волны с циклотронной частотой ионов последние резонансно поглощают энергию волны и разгоняются до высоких энергий, что эквивалентно нагреву плазмы.

В установке создаётся сильное магнитное поле (обычно от 1 до 10 Тл), удерживающее плазму в виде кольцевого или тороидального объёма. Специальные антенны возбуждают в плазме электромагнитные волны в диапазоне частот от десятков до сотен мегагерц. Передаваемая мощность может достигать мегаватт.

¶Классификация

Установки ионно-циклотронного нагрева подразделяются по нескольким признакам:

• По типу удержания — интегрированные в токамаки и стеллараторы (как дополнительный нагрев) либо самостоятельные ловушки.
• По диапазону частот — низкочастотные (ИЦР, десятки–сотни МГц), среднечастотные и высокочастотные (электронно-циклотронный нагрев, ЭЦР, — гигагерцовый диапазон).
• По типу возбуждаемых волн — быстрые волны, медленные волны, ионно-гибридные резонансы.

¶Основные установки в России

¶Т-15МД (Курчатовский институт, Москва)

Токамак Т-15МД оснащён системой ИЦР-нагрева мощностью до 2,5 МВт. Установка является преемником легендарного токамака Т-15, запущенного в 1975 году, который стал одним из крупнейших в мире на момент создания (магнитное поле 3,5 Тл, максимум тока 1,4 МА). Т-15МД используется для отработки технологий, планируемых для международного проекта ИТЭР.

¶Глобус-2М (НИИЭФА, Санкт-Петербург)

Экспериментальная установка, на которой исследовались различные схемы нагрева плазмы, включая ионно-циклотронный. Глобус-2М имел тороидальную конфигурацию и служил стендом для испытания методов нагрева и диагностики плазмы.

¶Т-10 (Курчатовский институт)

Один из крупнейших российских токамаков, на котором с 1970-х годов проводились работы по электронно-циклотронному нагреву (ЭЦР) плазмы. На Т-10 были получены важные результаты по нелинейному взаимодействию мощного ЭЦР-излучения с плазмой, включая наблюдение электронных пучков с энергией до 1 МэВ.

¶Роль в проекте ИТЭР

Международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР, строящийся во Франции при участии России, ЕС, США, Японии, Южной Кореи и Китая, использует три основных метода нагрева плазмы: индукционный (токовый), ионно-циклотронный (ИЦР) и электронно-циклотронный (ЭЦР). Доля ИЦР-нагрева в проекте составляет 20 МВт из общего 50 МВт дополнительного нагрева. Российские организации — Курчатовский институт и НИИЭФА — являются основными разработчиками и поставщиками оборудования для ИЦР-системы ИТЭР.

¶Перспективы

В послетокамаковых проектах (ИТЭР и разрабатываемый демонстрационный реактор DEMO) ионно-циклотронный нагрев остаётся одним из ключевых методов поддержания плазмы в термоядерном состоянии. Одновременно ведутся исследования альтернативных схем удержания — вихревых токовых ловушек и компактных тороидов, где ИЦР-нагрев также может найти применение.

¶Источники

• Арцимович Л. А. «Управляемые термоядерные реакции». — М.: Физматгиз, 1963.
• Курчатов И. В. Избранные труды. — М.: Атомиздат, 1968.
• Пилипенко В. А., Соколов В. Н. «Ионно-циклотронный нагрев плазмы в токамаках». — Обзоры по физике плазмы. — НИИЭФА.
• ИТЭР Организация. Техническая документация по системам нагрева плазмы (iter.org).
• Журнал «Физика плазмы» (Москва).