Новое изобретение обеспечит стационарный режим работы инжекторов атомов для нагрева плазмы в термоядерных установках

 Исследования в области управляемого термоядерного синтеза (УТС) проводятся с использованием различных типов установок – ловушек, в которых плазма удерживается при помощи магнитных полей. Необходимая температура плазмы для подобных экспериментов составляет порядка сотен миллионов градусов. «Вскипятить» ионизированный газ до такой температуры непросто, с большой эффективностью на это способны инжекторы мощных атомарных пучков. Одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве подобных устройств является Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Специалисты ИЯФ СО РАН представили новое поколение инжекторов атомарных пучков с обновленной ионно-оптической системой (ИОС) – сердцем всего устройства. Благодаря инновационным решениям, успешно реализованным в новой версии системы, инжекторы атомарных пучков ИЯФ СО РАН смогут работать в установках нового поколения – со стационарным удержанием плазмы. На новую ионно-оптическую систему был получен патент.

«Для осуществления термоядерной реакции необходимо нагреть водородную плазму до температуры в сотни миллионов градусов. Наиболее эффективным способом нагрева является инжекция пучков быстрых атомов, которые получаются методом ускорения первичных ионных пучков водорода до высоких энергий с последующим преобразованием их в атомы посредством нейтрализации, – прокомментировал ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Петр Дейчули. – Есть еще один-два способа, например, нагрев высокочастотным излучением, но они достаточно сложны физически и технически, особенно на самых высоких мощностях и температурах плазмы. В свое время специалисты ИЯФ разработали ряд технологических решений и создали целую серию атомарных инжекторов, которые стали использоваться по всему миру. Иметь у себя на установке будкеровский инжектор в мировом плазменном сообществе считается хорошим тоном. Но это были инжекторы для импульсных магнитных систем, в которых плазма удерживается в горячем состоянии одну-две секунды».

Полученные в экспериментах по УТС результаты позволили физикам-плазмистам перейти на новый этап исследований – стационарный, при котором плазма удерживается в нагретом состоянии не единицы, а сотни и даже тысячи секунд. Мировым рекордом на данный момент является результат китайского токамака EAST, на котором ученым удалось удержать плазму, нагретую до температуры в 70 миллионов градусов, в течение 1000 секунд.

«В связи с этим возникла потребность в разработке и создании усовершенствованных инжекторов мощных атомарных пучков, которые смогут работать в стационарном режиме, – пояснил Петр Дейчули. – В первую очередь требовала изменений ИОС инжектора, в которой происходит самое важное – она вытягивает положительные ионы из плазмы, ускоряет их до нужной нам энергии и формирует пучок предельно малой расходимости. Система эта очень чувствительна к температурным нагрузкам. На данный момент нашей группой предложена новая технологичная конструкция ионно-оптической системы для инжектора, который разрабатывается в рамках прикладных государственных заданий Минобрнауки, заказчикам которых является ГК «Росатом».

Надежность любой ионно-оптической системы определяется двумя факторами – качеством формирования первичного ионного пучка и электрической прочностью. В большей степени влияние на них оказывают термодеформации электродов. Новая ионно-оптическая система имеет ряд преимуществ, которые обеспечивают ее надежность.

«Возможная длительность работы ионно-оптической системы определяет длительность работы инжектора в целом, – прокомментировал ведущий инженер-конструктор ИЯФ СО Владислав Амиров. – И в первую очередь это зависит от того, как длительно электроды смогут сохранять свою геометрическую форму, потому что их нагрев и последующая деформация – самое страшное (губительное) для системы. Причиной нагрева являются вторичные частицы, которые рождаются в процессе вытягивания, формирования и ускорения первичного ионного пучка. Именно они существенно нагревают электроды. Для инжекторов нового поколения мы разработали новую ионно-оптическую систему, в которой реализован ряд технических и конструктивных решений, позволяющих поддерживать уровень деформаций электродов на приемлемом уровне. Во-первых, мы разбили эмиссионную площадь большого размера на сегменты, что само по себе дало снижение деформации. Во-вторых, каждый сегмент оснастили внутренними каналами охлаждения, в которых возможно поддержание необходимого уровня интенсивности теплообмена, и обеспечили подвод к ним требуемого расхода охлаждающей жидкости».

В данной конструкции ИОС все эмиссионные сегменты устанавливаются на общий держатель-коллектор, опирающийся на стойки-изоляторы. Для лучшей компактности всего устройства часть водяной магистрали системы охлаждения электродов специалисты проложили внутри держателя и опорных стоек-изоляторов. Все это, а также специальная конструкция регулировочных шайб, обеспечивает лучшую точность юстирования системы, от которой зависит качество пучка.

«Благодаря компетенциям и опыту коллектива ИЯФ нам удалось разработать новую конструктивную схему ионно-оптической системы инжекторов быстрых атомов для экспериментов со стационарным нагревом и удержанием плазмы, – добавил Владислав Амиров. – В процессе создания системы была использована разработанная нами методика программного моделирования. Ее эффективность подтверждена надежной работой ионно-оптических систем в инжекторах, использующихся в различных экспериментах. Методика позволяет моделировать поведение электродов в условиях реальных нагрузок, вносить нужные улучшения в конструкцию. Таким образом мы избегаем дорогостоящих и длительных циклов разработки типа “проектирование – изготовление – испытание”, существенно сокращая срок создания системы. На данный момент заканчивается производство компонентов ионно-оптической системы в экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН».

Потенциальные заказчики инжекторов ИЯФ СО РАН: АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» – для проектируемого токамака с реакторными технологиями TРT, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН – для проектируемого токамака Глобус-3), НИЦ «Курчатовский институт» (токамак Т-15 МД).

На свою разработку специалисты ИЯФ СО РАН получили патент.

«Патент – это не только юридическая защита изобретения, но еще и репутация автора и научно-исследовательской организации как патентообладателя, –  пояснила специалист по интеллектуальной собственности ИЯФ СО РАН Любовь Костикова.  – Существует три объекта патентного права: изобретение, полезная модель и промышленный образец. Изобретение – это абсолютно новое устройство или способ, которые имеют изобретательский уровень и промышленно применимы; полезная модель – новое техническое решение, относящееся только к устройству; промышленный образец – новый внешний вид изделия. Авторы ионно-оптической системы для ионных источников получили патент на изобретение. Данная заявка была интересна тем, что она имеет высокий технический уровень, ее патентоспособность не вызывала сомнений и работа выполнена в тесном сотрудничестве научных сотрудников и конструкторов ИЯФ. Радует, что российские НИИ стали чаще патентовать свои работы, в том числе ИЯФ СО РАН. В 2023 г. мы получили 10 патентов, в 2024 г. их будет чуть больше. Цифры не впечатляют, но для нас это положительный тренд, потому что наш институт имеет огромный потенциал в сфере интеллектуальной собственности, а ранее запатентованных работ было значительно меньше».

Ученые ТПУ разработали многоразовые накопители водорода на основе отечественной сырьевой базы
Ученые Томского политеха разработали металлогидридные накопители водорода из сплава титана и железа. Стоимость их производства в три раза ниже, чем у импортных аналогов. Накопители способны сорбировать и десорбировать водород несколько тысяч циклов с потерей эффективности не более 5-10%. На сегодняшний день самый распространенный метод хранения водорода — баллоны под давлением 150 или 350...
В Пензенском государственном университете ученые предложили вычислительный алгоритм, способный показать внутреннюю структуру объекта
В Пензенском государственном университете ученые предложили вычислительный алгоритм, способный показать внутреннюю структуру объекта. Результаты могут быть полезны в современных областях дефектоскопии и техники. Математические расчеты и алгоритмы используются повсеместно в любой технике. Вся работа персонального компьютера построена на их основе. На предприятиях промышленное оборудование также...
Разработан новый нанокомпозит для обнаружения сверхнизких концентраций газов
Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН в сотрудничестве с коллегами из РХТУ им. Д.И. Менделеева, Института физики КФУ, МФТИ и Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН создали новый нанокомпозитный материал, состоящий из оксида цинка с добавками палладия. Благодаря особым газочувствительным свойствам его можно использовать для производства высо...
Создан самый точный метод распознания объектов на фото с помощью ИИ
Ученые из лаборатории исследований искусственного интеллекта T-Bank AI Research на основе "карт внимания" разработали самый точный в мире метод распознания объектов на фотографии с помощью искусственного интеллекта (ИИ), сообщили в T-Банке. В сообщении отмечается, что предыдущие разработки в области компьютерного зрения сталкивались с проблемой однородности ансамблей, но ученые из лаб...
Создано «вечное» покрытие от обледенения на базе графена
Американские и китайские ученые создали покрытие на базе частиц оксида графена, которое предотвращает появление обледенения на протяжении недели или значительно более длительного времени даже при сверхвысокой насыщенности воздуха влагой. Это покрытие позволит защитить провода и элементы инфраструктуры ото льда, сообщила пресс-служба американского Северо-Западного университета (NWU). "Окс...
В Санкт-Петербурге стартовала крупнейшая отраслевая конференция для гидротехников и энергетиков
В Санкт-Петербурге начало работу крупнейшее всероссийское мероприятие для специалистов-гидротехников и энергетиков – XVI научно-техническая конференция ПАО «РусГидро» «Гидроэнергетика. Гидротехника. Новые разработки и технологии». В течение трех дней, с 30 октября по 1 ноября, более 600 представителей  из почти 200 организаций страны и зарубежья будут обсуждать с...
В России повысили точность прогнозов электропотребления на предприятиях
Новый метод краткосрочного прогнозирования электропотребления на предприятии газовой промышленности разработали ученые УрФУ. По их мнению, разработка поможет повысить энергетическую эффективность предприятий, обеспечить безопасную эксплуатацию их критической инфраструктуры и снизить затраты на покупку электроэнергии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Algorithms. Исследовате...
В МАИ разработали уникальное решение по умной дефектоскопии
В рамках проекта по промышленной дефектоскопии учёные МАИ разработали уникальную методику по созданию синтетических данных. Обученная на этих данных нейросеть позволяет снимать показания промышленных приборов при помощи умной камеры беспилотника. Одной из важнейших задач на промышленных объектах является поддержание исправности оборудования и инфраструктуры. О...
Ученые Росатома создали уникальный испытательный стенд для отработки технологии получения низкоуглеродного водорода из природного газа
Завершены автономные испытания, подтверждена готовность стенда к проведению исследований и начата реализация программы экспериментальных работ. На площадке Протвинского филиала НИИ НПО «ЛУЧ» (входит в Научный дивизион госкорпорации «Росатом») завершено создание блочно-модульного испытательного стенда для отработки технологии производства низкоуглеродного водорода и водор...
Сибирские ученые разрабатывают гибридные материалы для литий- и натрий-ионных аккумуляторов
В регионе, где климат резко континентальный, а среднегодовая температура порядка 0оC, при низких температурах применение аккумуляторов существенно ограничивается: ухудшаются процессы переноса заряда, замедляется кинетика, диффузия в ходе переноса ионов. Чтобы улучшить ситуацию, необходимо исследовать и тестировать новые перспективные материалы. Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Ни...
Пластичнее в 20 раз: создан алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей промышленности
Исследователи НИТУ МИСИС разработали наноструктурный деформируемый сплав на основе алюминия с повышенной термостойкостью, электрической проводимостью и пластичностью, отвечающий требованиям современной энергетики и предназначенный для электротехнических систем — проводников, кабелей, трансформаторов. Пластичность материала в 20 раз превышает минимальные тре...
Учёные создали высокоточные антенны
Отечественные антенны, приёмники сигнала и программное обеспечение для них разработали специалисты НОЦ «Енисейская Сибирь». По их словам, применение таких систем для установления координат какого-либо объекта позволяет получать данные с точностью до одного сантиметра. Как пояснили в проектном офисе НОЦ, импортозамещающая система передачи и обработки навигационного сигнала необходима не...
В Сколтехе прояснили роль ключевого ингредиента электролитов литий-ионных батарей, чтобы сделать их безопаснее и эффективнее
Учёные из Сколтеха предложили новое объяснение эффекта этиленкарбоната — «волшебного ингредиента» в составе электролитов литий-ионных батарей. Исследователи аккумуляторов годами пытались понять, почему это вещество взаимодействует с графитовыми анодами литий-ионных аккумуляторов иначе, чем родственный ему пропиленкарбонат. Эти результаты могут стать ориентиром для разработки боле...
В Новосибирске открыт инжиниринговый центр «Транспортное машиностроение»
24 октября в Сибирском государственном университете путей сообщения торжественно открыт инжиниринговый центр «Транспортное машиностроение». В мероприятии приняли участие заместитель генерального директора – начальник Центральной дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» Евгений Шевцов, президент ОО «Российская академия транспорта» Александр Мишарин, ректор СГУПС А...
Самарские ученые обнаружили минералы, перспективные для новых источников энергии
В Международном научно-исследовательском центре по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского политеха (СамГТУ) провели комплексный теоретический анализ минералов группы ловозерита и выявили среди них перспективные для производства компонентов для новых типов источников энергии. Ученые Самарского политеха работают над созданием натрий-ионных аккумуляторов, которые дешевле и эффективнее...
Ученые ЮУрГУ предложили уникальную технологию повышения надежности процесса сварки
Заведующий кафедрой «Процессы и машины обработки металлов давлением», докт. техн. наук, профессор Александр Выдрин в рамках техзадания «Разработка цифровых двойников процессов холодной обработки давлением композиционных материалов» по проекту «Интеллектуальное производство» совместно с командой разработал технологию повышения надежности процесса сварки. Технолог...
«Россети» определили новые тематики НИОКР на 2025–2027 годы
Эксперты компании «Россети» и ее дочерней R&D-организации – «Россети Научно-технический центр» завершили отбор тематик НИОКР на 2025-2027 гг. Всего поступило более 230 заявок от электросетевых компаний, вузов, производителей электротехнического оборудования, малых предприятий и научно-исследовательских институтов. Одобренные 38 тематик охватывают ключевые напра...
НГУ запустил пилотный вычислительный кластер суперкомпьютерного центра «Лаврентьев»
В Новосибирском государственном университете заработала первая очередь — сегмент вычислительного кластера суперкомпьютерного центра «Лаврентьев». Сегмент располагается в учебном корпусе НГУ, в дальнейшем он будет размещен на площадях научно-исследовательского центра НГУ, который относится к объектам второй очереди современного кампуса НГУ. По вычислительным мощностям в 360 терафл...
В МЭИ разработали отечественную программу для теплотехнических расчетов
Ученые НИУ «МЭИ» совместно с ООО «СМат» создали уникальный отечественный сертифицированный программный комплекс (ПК) SMath Studio для теплотехнических расчетов. ПК работает с теплофизическими величинами, с численной и символьной математикой, строит графики, создает анимацию, проводит оптимизацию и многое другое. Использование комплекса на порядок ускоряет расчеты, с...
В Петербурге создали модем для передачи данных по электросетям
Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций (СПбГУТ) им. проф. М. А. Бонч-Бруевича создали специальный модем, который позволяет передавать информацию через электрическую проводку зданий и линии электропередач. Его применение позволит в оперативном режиме с экономией трафика передавать данные по учету электроэнергии, воды, тепла, а также управлять системой подачи...