Новая технология может упростить конструкцию сложного устройства для термоядерного синтеза
«Наш главный результат состоит в том, что мы придумали новый метод идентификации нерегулярных магнитных полей, создаваемых катушками стелларатора», – сказал физик Цаосян Чжу, ведущий автор статьи, в которой сообщается о результатах в Nuclear Fusion. «Этот метод может сообщить вам заранее, какие формы и расположение катушек могут повредить магнитное удержание плазмы, обещая более короткое время строительства и снижение затрат.»
Термоядерный синтез, сила, которая движет Солнцем и звездами, представляет собой сплавление легких элементов в форме плазмы – горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, – которое генерирует огромное количество энергии.
Извилистые стеллараторы в форме жерновов являются альтернативой токамакам в форме пончиков, которые чаще используются учеными, стремящимися воспроизвести термоядерный синтез на Земле для практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электричества.
Ключевым преимуществом стеллараторов является их производство высокостабильной плазмы, которая менее подвержена разрушительным сбоям, которые могут вызвать токамаки.
Но сложность катушек стеллараторов была фактором, сдерживающим развитие таких объектов.
Катушки стелларатора должны быть сконструированы и расположены вокруг вакуумной камеры очень точно, поскольку отклонения от наилучшего расположения катушек создают в магнитном поле неровности и колебания, которые ухудшают магнитное удержание и позволяют плазме уйти. Эти проблемные магнитные поля могут быть легко вызваны неправильным размещением магнитных катушек, поэтому инженеры устанавливают строгие допуски для этих компонентов.
«Большая проблема при создании стеллараторов – это выяснить, как сделать их просто и экономично», – сказал главный научный сотрудник PPPL Майкл Зарнсторфф. «Исследование Чжу важно, потому что он пытается более внимательно и количественно изучить некоторые факторы, влияющие на стоимость.
Его результаты показывают, что мы можем упростить конструкцию стеллараторов и тем самым упростить и удешевить их изготовление, не настаивая на жестких допусках для вещей, которые не имеют значения.»
В прошлом ученые использовали компьютерное моделирование, чтобы определить, какое расположение катушек было бы наилучшим, проверяя реакции плазмы на все возможные магнитные конфигурации до того, как был построен стелларатор. Но поскольку существует множество способов изменения катушек, «этот подход требует огромных вычислительных ресурсов и человеко-часов», – сказал Чжу. «В этой статье мы предлагаем новый математический метод для быстрого определения опасных отклонений катушки, которые могут возникнуть во время изготовления и сборки.»
Метод основан на матрице Гессе, математическом инструменте, который позволяет исследователям определять, какие вариации магнитных катушек могут вызвать изменение свойств плазмы. «Идея состоит в том, чтобы выяснить, какие возмущения вам действительно нужно контролировать или избегать, а какие можно игнорировать», – сказал Чжу.
Команда недавно подтвердила точность нового метода, использовав его для анализа размещения катушек для конфигурации, аналогичной Columbia Non-Neutral Torus, небольшому термоядерному объекту, управляемому Колумбийским университетом. Они сравнили результаты с результатами прошлых исследований, основанных на традиционных методах, и пришли к согласию. В настоящее время команда сотрудничает с исследователями в Китае, чтобы использовать этот метод для оптимизации размещения катушек на первом китайском квазиосимметричном стеллараторе (CFQS), который в настоящее время строится.
По словам Чжу, новый метод может помочь ученым разработать более совершенные стеллараторы.
Это могло бы позволить найти способы определения оптимального расположения катушек, о которых раньше никто не думал.
В состав исследовательской группы входили ученые из Юго-западного китайского университета Цзяотун и Японского национального института термоядерных исследований.
Исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США и Принстонским центром физики плазмы им. Макса Планка.
