ВІДДІЛ ТЕОРІЇ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗУ

    Відділ створено за ініціативи д.ф.-м.н., проф. Ярослава Івановича Колесниченка в 1982 р., який відтоді й до цього часу очолює цей відділ. Відділ було створено на базі його групи – молодих, але кваліфікованих, фахівців з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (КТС) В. С. Бєлікова, С. Н. Резніка, В. О. Яворського, а також тих, хто зовсім нещодавно був студентом – В. Я. Голобородька і І. С. Плотника.

    Крім того, до складу відділу увійшов К. С. Педченко – фахівець зі стажем, який працював у галузі атомної енергетики. Річ у тім, що О. Ф. Німець, який тоді очолював інститут, хотів посилити не лише дослідження з КТС, а й роботи з розвитку атомної енергетики. Тоді в інституті було відносно небагато докторів наук. Я. І. Колесниченко за­хистив дисертацію доктора фіз.-мат. наук «Вопросы динамики и кинетики плазмы в режиме протекания термоядерных реакций» ще в 1978 р., причому у провідному науковому центрі Радянського Союзу – Інституті атомної енергії імені І. В. Кур­чатова (Москва). Тож планувався симбіоз досліджень з КТС та атомної енергетики. Тому першою назвою нового відділу була «Відділ теорії перспективної ядерної енергетики». Згодом в інституті було створено відділення атомної енергетики. Після цього було визнано за доцільне, щоб відділ сконцентрував зусилля на дослідженнях з КТС та фізики плазми. Тоді відділ отримав назву «Відділ теорії ядерного синтезу» (ВТЯС), яку має дотепер.
    Тематика досліджень ВТЯС – фізика плазми з енергійними іонами в тороїдальних термоядерних пристроях – є незмінною з часу створення відділу. За цією тематикою у відділі підготовлено чотири доктори фіз.-мат. наук: В. В. Луценко, В. С. Марченко, О. К. Черем­них, Ю. В. Яковенко.

    За цією тематикою було ініційовано та проведено першу (1989) та ювілейну (2009) конференції МАГАТЕ «Частинки високих енергій у термоядерних магнітних системах», а також першу Міжнародну конференцію з новітніх концепцій та теорії стелараторів (2001).
    Крім того, було ініційовано проведення українських конференцій з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми. Було проведено першу конференцію цієї серії (1992) та низку наступних конференцій (1994, 1997, 1999, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015).

    Не можна не згадати про обставини, без яких ВТЯС навряд чи був би створений. Передусім, це переїзд на початку 1960-х років до Києва з Харкова О. Г. Ситенка – молодого тоді доктора фіз.-мат. наук, який очолив теоретичний відділ в Інституті фізики АН УРСР. Фактично завдяки цьому в Києві стали проводитися роботи з теорії плазми. Утім, лише половина його відділу займалася плазмою. Дещо пізніше до цієї групи приєднався к.ф.-м.н. В. М. Ораєвський (1966), який до того працював кілька років в Інституті ядерної фізики (Новосибірськ, Росія). У Новосибірську він виконав роботи з нелінійної фізики плазми, де, зокрема, було передбачено розпадну нестійкість хвиль у плазмі (робота у співавторстві з Р. З. Сагдєєвим), що згодом було визнано відкриттям.
    У Києві, в Інституті фізики АН УРСР, В. М. Ораєвський фактично, перебрав на себе керівництво плазмістами-теоретиками. Він же очолив відділ теорії плазми (ВТП), створений в ІЯД у 1970 р., куди перейшли плазмісти з Інституту фізики АН УРСР. Пропрацювавши кілька років в ІЯД, В. М. Ораєвський переїхав до Москви. Після цього велику роль у збереженні та розвитку досліджень з КТС в ІЯД відіграли В. Д. Шаф­ранов та Б. Б. Кадомцев – світові лідери з фізики плазми токамаків. Вони не лише формально підтримали групу молодих плазмістів-теоретиків ІЯД (Б. Б. Кадомцев був директором Відділення фізики плазми ІАЕ імені І. В. Курчатова), а й запропонували кон­кретну тему для розробок – розрахувати потоки термоядерних альфа-частинок на першу стінку токамака Т-20 – першого радянського проекту термоядерного реактора-токамака. Ця під­тримка була дуже важливою, адже тоді серед керівного складу плазмістів ІЯД панувала думка про недоцільність термоядерних досліджень в інституті, а вивчення фізики енергійних іонів, зокрема термоядерних альфа-частинок, вважалось безперспективним.
    У подальшому, велику роль у розвитку ВТЯС відіграла співпраця з провідними термоядерними лабораторіями світу – Принстонською лабораторією фізики плазми (США) та Інститутом фізики плазми Макса Планка (Німеччина). Слід зазначити також співпрацю з JET (ЄС), Університетом Каліфорнії-Ірвайн (США), Технологічним університетом Чалмерса (Швеція), Національним інститутом термоядерних до­сліджень (Японія), Інсбруцьким університетом (Австрія), Дослідницьким центром Сайберсдорф (Австрія) тощо.
    Завдяки міжнародній співпраці було отримано експериментальні дані з провідних токамаків та стелараторів, з’явилася можливість працювати на американських суперкомп’ютерах, спілкуватися з провідними науковцями. У результаті взаємовигідної співпраці було відкрито низку нових явищ, дано інтерпретацію багатьом термоядерним експериментам, виконано прогнозні дослідження.

    Основний напрямок досліджень.
    Дослідження фізичних процесів у плазмі термоядерних систем (токамаків, стелараторів, сферичних торів), передусім процесів, пов’язаних з енергійними іонами, що утворюються внаслідок термоядерної реакції, інжекції пучків нейтральних атомів та високочастотного нагрівання плазми.
    У складі відділу 4 доктори і 4 кандидати наук. Індекс Гірша h = 31 (за версією Ґуґл).

    Основні наукові досягнення та науково-технічні розробки.
1. Закладено основи фізики енергійних (надтеплових) іонів та фізики термоядерного горіння в реакторах-токамаках та стелараторах.
2. Відкрито нові явища та ефекти, частина яких була підтверджена експериментально:
     новий клас нестійкостей плазми, пов’язаний з термоядерними альфа-частинками, передбачення якого стимулювало як теоретичні, так і експериментальні дослідження в цьому напрямку у світі;
     критична енергія іонів у МГД-активній плазмі, вище якої іони з малими поздовжніми швидкостями стають практично нечутливими до МГД-збурень. Це передбачення було підтверджено експериментально в перших експериментах з дейтерій-тритієвою плазмою на найбільшому американському токамаку TFTR, а згодом на інших токамаках США та ЄС;
     просторове каналювання енергії та імпульсу енергійних іонів, яке пояснює експерименти з аномальним нагрівом плазми у сферичному торі NSTX (США);
     нові типи альфвенових коливань та резонансів між хвилями та іонними пучками у стелараторах, існування яких підтверджено в експериментах на стелараторах Wendelstein 7-AS (Німеччина) та LHD (Японія);
     аномальний електронний транспорт, що виникає при збудженні іонним пучком альфвенової хвилі;
     якісно новий процес із перезамкненням силових ліній магнітного поля, який може мати місце як в лабораторній, так і космічній плазмі; процес підтверджено в числових розрахунках американських авторів;
     стабілізація фішбон-нестійкості плазми при збільшені тиску плазми, підтверджено на сферичному торі MAST (Англія);
     механізм стохастичної дифузії енергійних іонів у стелараторах, який вважається основним для оптимізованих стелараторів лінії
Wendelstein (Німеччина);
     механізм різкого падіння частоти при спалахах фішбон-нестійкості плазми, яке спостерігається на всіх сучасних токамаках;
     збудження альфвенових хвиль у токамаках магнітними островами, яке може бути відповідальним за високочастотну активність, яка спостерігалась на токамаках FTU (Італія) і HL-2A (Китай);
     генерація струму у приосьовій області плазми токамаків альфа-частинками, яка є принципово важливою для концепції стаціонарного токамака з використанням неокласичних процесів у плазмі.
3. Дано інтерпретацію явищам, які спостерігалися в експериментах, але не мали пояснення, зокрема таким:
     теплові колапси в стелараторі Wendelstein 7-AS (Німеччина);
     широкий смугастий частотний спектр коливань, збуджених іонним пучком, у Wendelstein 7-AS;
     перерозподіл іонів пучка в токамаку DIII-D (США) внаслідок пилчастих коливань;
     зникнення «гарячої плями» – сильно локалізованого джерела випромінювання гамма-променів та нейтронів, яке відбувалося після колапсу пилчастих коливань у JET (найбільшому у світі токамаку, Англія);
     надтеплове іонно-циклотронне випромінювання в токамаках, зо­крема у JET (Англія);
     деградація нагрівання плазми в NSTX через збудження іонними пучками альфвенових коливань;
     утворення пагорбу на іонно-пучковому розподілі (“high-energy feature”) в NSTX (США);
     збудження парної та непарної ТАЕ-мод (Тoroidicity-induced Alfven Eigenmodes) у стелараторі LHD (Японія);
     зникнення альфвенових каскадів при електронному циклотронному нагріванні в токамаках DIII-D (США) i ASDEX Upgrade (Німеччина).
4. Виконано прогнозні та пошукові дослідження:
     обчислено потоки альфа-частинок (продуктів термоядерної реакції) у плазмі та на першу стінку у першому радянському проекті реактора-токамака Т-20 та проекті ОТР, для німецького проекту реактора-стеларатора HELIAS, міжнародного реактора-токамака ITER, токамака JET;
     передбачено можливість збудження великомасштабних власних коливань – «ізомон»-нестійкостей плазми – у запланованих експериментах з інжекцією пучків нейтральних атомів в оптимізованому й найбільшому стелараторі Wendelstein 7-X (Німеччина);
     уперше показано, що режим з немонотонним профілем струму в плазмі є можливим і перспективним. Зокрема, він може мати місце у міжнародному токамаку ITER, який споруджується у Франції;
     показано принципову можливість покращення утримання енергійних іонів у стелараторах за допомогою ВЧ-поля. Як приклад для можливого застосування розвиненої теорії розглянуто заплановані експерименти з нагріванням плазми інжекцією енергійних іонів у стелараторі Wendelstein 7-Х;
     розроблено теорію плазмового двигуна з використанням електромагнітного поля, що обертається. Результати можуть бути використані для оптимізації експериментів, спрямованих на створення плазмового двигуна для довготривалих космічних польотів;
     запропоновано концепцію гібридного реактора синтезу-поділу ядер з бланкетом, близьким до критичного. Перевага цього реактора в тому, що вимоги до параметрів плазми є багато слабкішими, ніж в інших гібридних реакторах і, особливо, у термоядерному реакторі.
    Актуальність обраного напрямку досліджень буде лише зростати при наближенні до створення експериментального реактора ІТЕР, демонстраційного термоядерного реактора DEMO та промислових термоядерних реакторів.

    Державні та академічні премії.
    Премія НАН України імені К. Д. Синельникова 2003 р. за серію робіт «МГД-явища та транспорт іонів високих енергій у термоядерній плазмі» (Я. І. Колесниченко, В. В. Луценко, Ю. В. Яковенко).

     Міжнародна співпраця.
    Завдяки контракту STINT (Swedish Foundation for International Cooperation in Research and Higher Education) Dnr 96/152 було з’ясовано природу надтеплового іонно-циклотронного випромінювання з плазми токамаків (Я. І. Колесниченко став переможцем конкурсу STINT). Було показано, що надтеплове іонно-циклотронне випромінювання виникає через магнітозвукову нестійкість, що підсилюється тороїдальним дрейфом енергійних іонів. Це пояснює ряд частот у спектрі надтеплового іонно-циклотронного випромінювання в експериментах на європейському токамаку JET.
    З кінця 1990-х триває плідна співпраця ВТЯС з Принстонською лабораторією фізики плазми, США (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) та Інститутом фізики плазми Макса Планка, Німеччина (Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik, IPP).
    Співпраця з PPPL відбувалась у рамках чотирьох проектів CRDF: #UP2-290 (1997 - 1999), #UP2-2114 (2000 - 2001), #UP2-2419-KV-02 (2002 - 2004) та #UKP2-2463-KV-05 (2005 - 2007). (Зазначимо, що ймовірність виграти конкурс CRDF була 10-1, таким чином імовірність отримати чотири гранти CRDF була 10-4!) Керівником цих проектів з боку США був Р. Вайт, з українського боку – Я. І. Колесниченко.

    Уперше було показано, що високе ? (? – це відношення тиску плазми до тиску магнітного поля) веде до стабілізації низькочастотної гілки фішбон-нестійкості, що збуджується захопленими частинками. Було показано, також уперше, що високе bможе погіршувати утримання захоплених енергійних іонів у сферичному торі під час магнітного перезамкнення. Було передбачено, що енергійні іони втрачають можливість стабілізувати МГД-активність при високих ?. Це передбачення узгоджується з тим фактом, що велика популяція швидких іонів у плазмі сферичного тора NSTX (PPPL) не стабілізує нестійкості пилчастих коливань. Було створено числовий код OFSEF для розрахунку транспорту частинок під час пилчастих коливань.
    Співпраця з Інститутом фізики плазми Макса Планка (IPP) розпочалась у рамках партнерського проекту УНТЦ № P-034 (1999 - 2008). Спершу основним завданням цього проекту було дослідження фізики енергійних іонів у стелараторах типу Wendelstein та токамака ASDEX-U. Після перенесення стелараторних досліджень з Ґархінґа під Мюнхеном до Ґрайфсвальда спільні дослідницькі зусилля сконцентрувались на стелараторах. У різний час керівниками проектів з німецького боку були С. Ґюнтер, Г. Вобіґ, А. Веллер, з українського – Я. І. Колесниченко.

    У рамках співпраці IPP та ІЯД створено теорію неідеальної фішбон-нестійкості з беззіткневою фізикою в синґулярному шарі, яка може пояснити температурні спади, спостережені під час фішбон-активності в токамаку ASDEX Upgrade. Передбачено нові типи альфвенових мод та резонансів «хвиля - частинка», зумовлених відсутністю аксіальної симетрії в стелараторах. Було знайдено, що послідовні зміни частот дестабілізованих мод, що спостерігались на стелараторі Wendelstein 7-AS (W7-AS), корелюють з «естафетою» резонансів хвилі з частинками протягом часової еволюції густини плазми. Було встановлено різні типи нестійкостей на W7-AS. Відкрито новий механізм аномальної теплопровідності плазми, що дало змогу пояснити експерименти на W7-AS, де були помічені суттєві спади енергії плазми під час виникнення нестійкостей. Передбачено існування незвичайної глобальної альфвенової власної моди (NGAE-моди). Відкрито новий механізм стохастичної дифузії енергійних іонів у стелараторах, який вважається основним для оптимізованих стелараторів. Було розроблено кілька кодів: COBRA, що обраховує альфвенові континууми, BOA, що розраховує альфвенові власні моди, та GAMMA – для розрахунку інкременту нестійкостей у стелараторах. Теоретичні результати, отримані в рамках проекту, було підтверджено на стелараторі LHD (Японія). Вони також були використані при розробці проекту реактора Helias.
    З 2008 по 2011 р. група ВТЯС у рамках проекту УНТЦ № 4588 співпрацювала з Інститутом фізики плазми Макса Планка (керівник A. Веллер; пізніше – П. Геландер), Принстонською лабораторією фізики плазми (Р. Вайт) та Університетом Каліфорнії в Ірвайні, США (В. Гайдбрінк). Було отримано цікаві й практично важливі результати. Тут ми згадаємо лише про відкриття нового явища – просторового каналювання енергії та імпульсу енергійних іонів нестійкостями, що збуджуються цими іонами. Завдяки цьому явищу радіальний профіль нагрівання плазми може значно змінитись і може мати місце чірпінг частоти під час нестійкості. Таким чином, роль нестійкостей, що збуджуються енергійними іонами на ITER та в майбутніх реакторах, може бути більш важливішою, ніж до цього вважалось. Результатами проекту стали публікації в реферованих журналах, таких як Physical Review Letters, Europhysics Letters, Nuclear Fusion, Physics of Plasmas, Plasma Physics and Controlled Fusion тощо.
    У 2015 - січні 2017 р. міжнародна співпраця відділу здійснювалась через проект УНТЦ № 6058. Закордонними партнерами були П. Геландер (Інститут фізики плазми Макса Планка, Ґрайсвальд), Р. Вайт (Принстонська лабораторія фізики плазми), Ф. Романеллі та Д. Борба (JET), В. Гайдбрінк (Університет Каліфорнії в Ірвайні США). Було показано, що в стелараторі W7-X можуть існувати моди альфвенового типу, які зазнають впливу стисності плазми і мають однакові тороїдальні та полоїдальні модові номери (так звані «ізомон-моди»); іони інжектованого пучка можуть резонансно взаємодіяти з цими модами, що веде до нестійкості, яка поширюється на велику частку поперечного перерізу плазми. Було вдосконалено код OSFEF, що обраховує перерозподіл енергійних іонів під час колапсу пилчастих коливань. Показано, що резонансні енергійні іони, що збуджують геодезичну акустичну моду, можуть значно сповільнюватись і зміщуватись за радіальною координатою; було показано, що зміна розподілу цих іонів за швидкостями значно впливає на спади нейтронної емісії, які спостерігались на DIII-D. Досліджувалась можливість покращити утримання енергійних іонів, перетворюючи захоплені частинки в пролітні за допомогою радіочастотних хвиль. Вивчалось так зване «цеберне перенесення» енергійних іонів – просторове перемішування цих іонів внаслідок просторового переміщення резонансів. Знайдено негативну кореляцію між тривалістю проміжку часу між колапсами пилчастих коливань і тривалістю наступного колапсу в розрядах JET.
    Завдяки Проекту P4 Австрійської академії наук невелика група з ВТЯС (В. О. Яворський, В. Я. Голобородько) брала участь у дослідженнях на європейському токамаці JET (Великобританія). Основною темою цих досліджень було моделювання енергійних іонів, що втрачаються або утримуються на JET та ITER. У минулому була також співпраця з Національним інститутом термоядерних досліджень (Японія), де Я. І. Колесниченко був запрошеним професором у 2003 р. Окрім того, ВТЯС мав декілька дослідницьких проектів МАГАТЕ CRP та грантів Міжнародного наукового фонду (International Science Foundation).
    У 2017 р. Україна приєдналася до термоядерної дослідницької програми Євратома, що здійснюється в рамках консорціуму EUROfusion – об’єднання національних дослідницьких організацій, спрямованого на дослідження термоядерної плазми та створення термоядерного реактора. Пропозиції ВТЯС було прийнято одразу до кількох так званих Пакетів робіт (напрямків, за якими працює консорціум) – токамаки JET та ASDEX Upgrade, стеларатори. Зокрема, Пакет робіт JET1 охоплює роботи на однойменному найбільшому у світі токамаку, розташованому в Калемському науковому центрі (Великобританія). Наразі ВТЯС разом з іншими європейськими науковими установами виконує теоретичні роботи, спрямовані на підготовку до нової серії експериментів з дейтерієво-тритієвою плазмою.

    Проф. Я. І. Колесниченко нагороджений медаллю CRDF (США) за сприяння розвитку міжнародної співпраці в галузі науки і техніки (2005).

   Список найбільш важливих публікацій відділу.

• Ya.I. Kolesnichenko. The role of alpha particles in tokamak reactors. Invited review paper. Nucl. Fusion 20 (1980) 727. (CI = 187, Google Scholar data)
• R.J. Hawryluk, …, V. Yavorski, et al. Fusion plasma experiments on TFTR: A 20 year retrospective. Phys. Plasmas 5 (1998) 1577. (CI = 114).
• Ya.I. Kolesnichenko, V.V. Lutsenko, H. Wobig, Yu.V. Yakovenko, O.P. Fesenyuk. Alfven continuum and high-frequency eigenmodes in optimized stellarators. Phys. Plasmas 8 (2001) 491. (CI = 75).
• Ya.I. Kolesnichenko, Yu.V. Yakovenko. Theory of fast ion transport during sawtooth crashes in tokamaks. Nucl. Fusion 36 (1996) 159. (CI = 72).
• V.Ya. Goloborod'ko, Ya.I. Kolesnichenko, V.A. Yavorskij. Neoclassical theory of alpha-particle transport in the central region of a tokamak plasma. Nucl. Fusion 23 (1983) 399. (CI = 60).
• V.S. Belikov, Ya.I. Kolesnichenko. Magnetoacoustic cyclotron instability in a thermonuclear plasma. ЖТФ 45 (1975) 1798; Sov. Phys. – Tech. Phys. 20 (1976) 1146. (CI = 51).
• Ya.I. Kolesnichenko, Yu.V. Yakovenko, D. Anderson, M. Lisak, F. Wising. Sawtooth oscillations with the central safety factor, q0, below unity. Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 3881. (CI = 47).
• V. Yavorskij, V. Goloborod'ko, K. Schoepf, S.E. Sharapov, C.D. Challis, S. Reznik, D. Stork. Confinement of fusion alpha-particles in JET hollow current equilibrium. Nucl. Fusion 43 (2003) 1077. (CI = 46).
• Ya.I. Kolesnichenko, V.V. Lutsenko, R.B. White, Yu.V. Yakovenko. Effect of sawtooth oscillations on energetic ions. Invited talk at the IAEA Technical Committee Meeting on Energetic Particles in Fusion Research, Naka, Japan (1999); Invited paper, Nucl. Fusion 40 (2000) 1325. (CI = 50).
• Ya.I. Kolesnichenko, V.V. Lutsenko, H. Wobig, Yu.V. Yakovenko, Alfven instabilities driven by circulating ions in optimized stellarators and their possible consequences in a Helias reactor. Phys. Plasmas 9 (2002) 517. (CI = 47).
• Ya.I. Kolesnichenko, S. Yamamoto, K. Yamazaki, V.V. Lutsenko, N. Nakajima, Y. Narushima, K. Toi, Yu.V. Yakovenko. Interplay of energetic ions and Alfven modes in helical plasmas. Phys. Plasmas 11 (2004) 158. (CI = 30).
• T. Fulop, Ya.I. Kolesnichenko, M. Lisak, D. Anderson. Origin of superthermal ion cyclotron emission in tokamaks. Nucl. Fusion 37 (1997) 1281. (CI = 39).
• C.D. Beidler, Ya.I. Kolesnichenko, V.S. Marchenko, I.N. Sidorenko, H. Wobig. Stochastic diffusion of energetic ions in optimized stellarators. Phys. Plasmas 8 (2001) 2731. (CI = 33).
• Ya.I. Kolesnichenko, V.V. Lutsenko, A. Weller, A. Werner, Yu.V. Yakovenko, J. Geiger, O.P. Fesenyuk. Conventional and nonconventional global Alfven eigenmodes in stellarators. Phys. Plasmas 14 (2007) 102504. (CI = 33).
• Ya.I. Kolesnichenko, Yu.V. Yakovenko, V.V. Lutsenko. Channeling of the energy and momentum during energetic-ion-driven instabilities in fusion plasmas. Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 075001. (CI = 27).