Плексатрон — импульсный источник нейтронов¶

Плексатрон — импульсный ускоритель плазмы, разработанный в середине XX века как источник термоядерных нейтронов. Установка представляет собой тороидальную (или близкую к ней) разрядную камеру, в которой плазменный шнур под действием собственного магнитного поля сжимается и формирует короткоживущий сгусток высокой плотности. Название образовано от английского to plexus («сплетать, сжимать») и суффикса -tron, традиционного для ускорителей и разрядных устройств. Плексатрон относится к классу импульсных плазменных систем и исторически связан с ранними исследованиями управляемого термоядерного синтеза и физики высокотемпературной плазмы.

¶История

Плексатрон был предложен и построен в 1950-х годах в Великобритании в рамках национальной программы исследований по управляемому термоядерному синтезу. Работы велись в лабораториях, занимавшихся магнитным удержанием плазмы, и были частью широкого международного поиска конфигураций, способных обеспечить термоядерную реакцию. Идея состояла в том, чтобы получать нейтроны не за счёт длительного удержания плазмы, а за счёт быстрого и сильного сжатия разряда — так называемого пинч-эффекта.

В тот же период в разных странах разрабатывались родственные устройства: тета-пинчи, Z-пинчи, стеллараторы и первые токамаки. Плексатрон занимал среди них промежуточное положение: он сочетал признаки пинч-разряда и ускорительной установки. В дальнейшем интерес к нему как к термоядерному реактору угас, поскольку стало ясно, что достигнутые параметры плазмы далеки от условий самоподдерживающейся реакции. Однако устройство сохранило значение как источник импульсных нейтронов и как объект для изучения неустойчивостей плазмы.

¶Устройство и принцип работы

Основу плексатрона составляет разрядная камера, заполненная рабочим газом (обычно водородом, дейтерием или их смесью) при низком давлении. К электродам прикладывается высокое импульсное напряжение, вызывающее электрический пробой и формирование плазменного разряда.

Ключевые элементы установки:

• разрядная камера тороидальной или цилиндрической формы;
• система электродов для инициирования разряда;
• конденсаторная батарея, обеспечивающая импульс тока большой амплитуды;
• внешние магнитные катушки для стабилизации и управления плазмой;
• диагностическая аппаратура (магнитные зонды, спектрометры, детекторы нейтронов).

При протекании мощного тока по плазме возникает собственное азимутальное магнитное поле. Взаимодействие тока с этим полем порождает силу, сжимающую шнур к оси — пинч-эффект. В плексатроне сжатие дополнительно усиливалось за счёт геометрии разряда и внешних полей, что позволяло кратковременно повышать плотность и температуру плазмы. Именно в момент максимального сжатия (так называемого схлопывания) создавались условия для генерации нейтронов.

¶Генерация нейтронов

Нейтроны в плексатроне образуются в реакциях термоядерного синтеза, прежде всего в дейтерий-дейтериевой (D–D) и дейтерий-тритиевой (D–T) реакциях. В D–D-реакции образуются нейтрон и ядро гелия-3 либо протон и тритий; в D–T-реакции — нейтрон и альфа-частица. Энергия образующихся нейтронов составляет около 2,45 МэВ для D–D и около 14,1 МэВ для D–T.

Существенная часть нейтронов могла возникать не только за счёт тепловых реакций, но и благодаря ускорению ионов в электрических полях разряда. Это сближает плексатрон с ускорительными нейтронными генераторами и объясняет его промежуточный статус между термоядерной установкой и источником нейтронного излучения. Выход нейтронов был импульсным и достигал максимума в момент сжатия плазменного шнура.

¶Научное значение

Плексатрон сыграл роль в развитии физики плазмы по нескольким направлениям:

• изучение пинч-эффекта и механизмов сжатия плазмы;
• исследование неустойчивостей (перетяжки, змеевидные и винтовые моды), ограничивающих время жизни разряда;
• отработка методов импульсной диагностики быстропротекающих процессов;
• накопление данных о генерации нейтронов в импульсных разрядах.

Опыт, полученный на плексатроне и родственных устройствах, способствовал переходу к более устойчивым конфигурациям магнитного удержания, прежде всего к токамакам, которые впоследствии стали основным направлением термоядерных исследований.

¶Применение

Как термоядерный реактор плексатрон практического применения не получил из-за короткого времени жизни плазмы и потерь энергии. Однако импульсные плазменные источники нейтронов, развитые на его основе, нашли применение в прикладных задачах:

• нейтронный активационный анализ;
• калибровка детекторов нейтронного и гамма-излучения;
• исследования радиационной стойкости материалов;
• нейтронная радиография.

В этих областях важны не энергетическая эффективность, а возможность получать короткие интенсивные нейтронные импульсы с управляемыми параметрами.

¶Ограничения и критика

Главным ограничением плексатрона была неустойчивость плазменного шнура: сжатый разряд быстро терял устойчивость, что приводило к разлёту плазмы и прекращению реакции. Время удержания оказывалось на несколько порядков меньше значений, необходимых для энергетически выгодного синтеза. Кроме того, значительная часть энергии расходовалась на нагрев и ускорение ионов вне зоны реакции, а мощность, затрачиваемая на импульс, заметно превышала получаемую нейтронную мощность. Эти принципиальные трудности стали причиной того, что концепция не выдержала конкуренции с более перспективными схемами удержания.

¶Место в ряду установок

Плексатрон принадлежит к первому поколению импульсных термоядерных устройств наряду с тета-пинчами и Z-пинчами. Его отличала ориентация на быстрое сжатие разряда и генерацию нейтронных импульсов. В исторической ретроспективе он рассматривается как один из этапов эволюции ускорительной и термоядерной техники, вклад которого состоит главным образом в понимании физики пинч-разрядов и в разработке методов импульсной нейтронной диагностики.