Корейские ученые нашли способ избежать повреждения стенок токамака из-за нестабильности плазмы

Токамак — разновидность термоядерного реактора, это тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, при которых возможно поддержание стабильной термоядерной реакции. Работа с ними ведется несколько десятилетий, и конца этой работе пока не видно: экономически выходных реакторов нет, как и не было. Одна из проблем — нестабильность процесса, его очень сложно держать под контролем.

Сложностей несколько, одна из них — нестабильность локализованных краевых потоков плазмы. Исследователи, работающие с установкой KSTAR Tokamak продемонстрировали, что им удалось взять под контроль эту проблему. Это крайне важно, поскольку, если не решить ее, то плазма может разрушить внутреннюю поверхность вакуумной камеры.

Стоит отметить, что проблема является следствием симметричности магнитного поля установки — той симметричности, которая обеспечивает простоту (кажущуюся) работы с токамаками. Один из способов решить этот вопрос — создание внешних магнитных полей для подавления нестабильности.

Самое интересное то, что некоторые ассиметричные конфигурации магнитного поля токамака могут быть даже полезными в плане удержания плазмы в стабильном состоянии. Главное здесь — научиться выбирать «правильную» асимметричность, не допуская появления тех изменений в конфигурации магнитного поля, которые могут оказаться вредными.

Для решения этой задачи исследователи создали упрощенную модель совокупности магнитных полей, необходимых для поддержания плазмы в стабильном состоянии. На примере этой модели ученые стали искать варианты ассиметричной конфигурации, которые могут быть полезными в отношении поддержания плазмы в состоянии стабильности, не допуская разрушения стенок реактора. Одно из условий при этом — внутренние слои плазмы не должны испытывать влияния факторов, которые воздействуют на внешние слои.

Положительный момент в том, что исследователям не нужно знать финальный вариант точной геометрии магнитного поля. Все, что требуется — знать, когда размер магнитного поля станет слишком большим и стабильность его снизится.

Предыдущие исследования были посвящены определению критических значения полей, а также созданию необходимой геометрии, вычислению поля. Это необходимо для того, чтобы отсекать неблагоприятные для стабильности варианты конфигурации магнитного поля.

Сейчас команда исследователей, работающих с корейским токамаком, решила выяснить, какие магнитные поля (дополнительные) будут подавлять неустойчивость, какие — препятствовать разрушающим свойствам плазмы, а какие — способствовать появлению нестабильностей.

Благодаря функциональности KSTAR ученым удалось изучить самые разные конфигурации, получив в результате 6D-изображение, где каждый пиксель имеет цветную кодировку. Всего есть три градации цвета, кажую из которых можно описать, как хорошую, плохую и очень плохую.

После того, как модель была готова, ученые протестировали ее, проведя ряд испытаний. Как оказалось, им удалось обнаружить тот вариант конфигурации, который нивелирует нестабильность локализованных краевых потоков плазмы. Для того, чтобы создать оптимальную конфигурацию, эксперты могут увеличить количество электромагнитов, которые помогут увеличить кастомизируемость магнитных полей.

По мнению экспертов, работа ученых с корейским токамаком позволит приблизить тот момент, когда человечество все же получит свой практически бесконечный источник энергии.

Nature Physics, 2018: DOI: 10.1038/s41567-018-0268-8.