Принстонская лаборатория физики плазмы проверит путь термоядерного синтеза на сферическом токамаке NSTX-U

Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) продвигает исследования, связанные с модернизированным Национальным сферическим тороидальным экспериментом (NSTX-U), планируя использовать эту крупнейшую в США установку со сферическим токамаком для оценки потенциала применения компактной токамачной конфигурации в будущих термоядерных электростанциях. Цель проекта — сделать установку одним из самых мощных сферических токамаков в мире и использовать её для изучения ключевых вопросов, таких как удержание высокотемпературной плазмы, перенос тепла, свойства материалов и управление в реальном времени.

На верхнем изображении показаны вакуумная камера и центральный соленоид NSTX-U Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Эта установка поможет учёным определить оптимальную форму будущих термоядерных электростанций. (Фото: Майкл · Ливингстон / отдел коммуникаций PPPL)

Токамак — это экспериментальная термоядерная установка, в которой плазма удерживается магнитным полем. По сравнению с традиционным токамаком в форме «пончика», сферический токамак больше напоминает «яблоко без сердцевины»: центральное отверстие уже, а вся конструкция более компактна. Исследователи полагают, что такая геометрия позволяет достигать более высокого давления плазмы при относительно низкой напряжённости магнитного поля, что повышает эффективность использования магнитного поля.

В термоядерных исследованиях отношение давления плазмы к давлению магнитного поля называется бета-значением (β). Более высокое значение β означает, что установка способна поддерживать более высокое давление плазмы при меньшей напряжённости магнитного поля, а системы с сильным магнитным полем обычно являются одной из наиболее затратных и технически сложных частей термоядерной установки. Поэтому вопрос о том, сможет ли сферический токамак сохранять высокие характеристики в условиях, приближенных к реакторным, является важным при оценке проектов будущих термоядерных электростанций.

По информации PPPL, центральный соленоид NSTX-U будет создавать магнитное поле напряжённостью 1 тесла при токе до примерно 4 миллионов ампер. Для сравнения: ток типичной молнии составляет около 30 тысяч ампер, а напряжённость магнитного поля в 1 тесла примерно в 20 тысяч раз превышает магнитное поле на поверхности Земли. Установка также будет оснащена современными измерительными системами для получения ключевых параметров, таких как температура и плотность плазмы, и планируется внедрение систем искусственного интеллекта для повышения возможностей анализа и управления в реальном времени.

Исследователи будут использовать NSTX-U для наблюдения за накоплением энергии и удержанием тепла в сферическом токамаке в условиях высокой мощности. Представители PPPL отмечают, что после запуска установки основное внимание будет уделено проверке того, будет ли время удержания плазмы продолжать улучшаться по мере приближения условий работы к реакторным требованиям. Время удержания, температура и плотность плазмы вместе образуют так называемое «тройное произведение» в термоядерных исследованиях — важный показатель эффективности термоядерного синтеза.

Преимущества сферического токамака также включают меньшие размеры установки. Заместитель директора по исследованиям NSTX-U Джек Беркери (Jack Berkery) отметил, что по сравнению с традиционными токамаками большего диаметра сферический токамак теоретически позволяет сократить расход стали, бетона, меди и других материалов, что снижает стоимость строительства.

Кроме того, структура магнитного поля сферического токамака способствует стабилизации плазмы. Старший научный сотрудник-физик PPPL Стефан Герхардт (Stefan Gerhardt) пояснил, что форма магнитных силовых линий в установке помогает подавлять крупномасштабные неустойчивости, которые могут приводить к потерям энергии, позволяя плазме сохранять больше тепла и поддерживать более высокое давление.

Мелкомасштабная турбулентность также является важным фактором, влияющим на эффективность термоядерного синтеза. Исследователи считают, что плазма в сферическом токамаке легче приводится в быстрое вращение под действием нейтрального пучкового нагрева, и разница скоростей в разных областях может создавать сдвиговый эффект, ослабляющий возмущающие структуры и уменьшающий утечку частиц и тепла. Директор PPPL Стивен Коули (Steven Cowley) отметил, что меньшие размеры плазмы в сферическом токамаке способствуют более эффективному вращению и сдвиговому эффекту.

NSTX-U также будет служить международной пользовательской установкой, предоставляя испытательную платформу для государственных исследовательских организаций, частных учреждений и предприятий для проверки поведения новых материалов и компонентов в плазменной среде, а также для разработки инструментов управления на основе искусственного интеллекта для работы термоядерных установок. Исследовательская группа надеется с помощью этой установки более точно определить оптимальное аспектное отношение сферического токамака, обеспечив экспериментальную основу для проектирования будущих компактных термоядерных электростанций.