Обнаружены оптимальные магнитные поля для подавления неустойчивостей в токамаках

Термоядерный синтез —  сила, которая управляет солнцем и звездами, производит огромное количество энергии. Ученые на Земле стремятся воспроизвести этот процесс, который объединяет легкие элементы в виде горячей, заряженной плазмы, состоящей из свободных электронов и атомных ядер, чтобы создать практически неисчерпаемый источник чистой энергии.

Давняя головоломка в попытке захватить силу синтеза на Земле заключается в том, как уменьшить или устранить общую нестабильность, которая возникает в плазме, называемой граничными локализованными модами (ELM). Подобно тому, как солнце выпускает огромные всплески энергии в виде солнечных вспышек, так и эти вспышки могут врезаться в стены токамаков, потенциально повреждая стены реактора.

Чтобы контролировать эти всплески, ученые воздействуют на плазму небольшими магнитными пульсациями, называемыми резонансными магнитными возмущениями (RMPs), которые искажают гладкую форму поверхности токамака и уменьшают или предотвращает появление всплесков.

Чрезвычайно сложная задача заключается в том, что практически неограниченное количество магнитных искажений может быть применено к плазме, что приводит к тому, что поиск правильного искажения является необычайно трудной задачей.

Физик Джонг-Кью Пак из Лаборатории плазменной физики (DOPL) Калифорнийского университета Министерства энергетики США (PPE), работающий с группой сотрудников из США и Национального научно-исследовательского института Фьюжн (NFRI) в Корее, успешно предсказали весь набор трехмерных искажений для контроля ELM без создания дополнительных проблем. Исследователи подтвердили свои прогнозы на объекте «Korean Superconducting Tokamak Advanced Research» (KSTAR), одного из самых передовых сверхпроводящих токамаков в мире, расположенном в городе Тэджоне, Южная Корея.

KSTAR идеально подходил для тестирования предсказаний благодаря усовершенствованному магнитному управлению для генерации точных искажений в почти идеальной кольцевой симметрии плазмы. Выявление наиболее выгодных искажений, которые составляют менее одного процента от всех возможных искажений, которые могли бы быть получены внутри KSTAR, было бы практически невозможно без прогностической модели, разработанной исследовательской группой.

Результатом стало достижение, создавшее прецедент. «Мы впервые показываем полное трехмерное полевое рабочее окно в токамаке для подавления всплесков, не вызывая нестабильности ядра или чрезмерно деградирующего удержания», — говорит Пак чья статья, написанная им и 14 соавторами, опубликована в издании Nature Physics. «Долгое время мы думали, что будет слишком сложно вычислительно идентифицировать все полезные поля, нарушающие симметрию, но теперь наша работа демонстрирует простую процедуру идентификации множества всех таких конфигураций.»

Исследователи уменьшили сложность расчетов, когда поняли, что количество способов, которыми плазма может искажаться, на самом деле намного меньше, чем диапазон возможных трехмерных полей, которые могут быть применены к плазме. Работая в обратном направлении, от искажений до трехмерных полей, авторы рассчитали наиболее эффективные поля для устранения всплесков. Эксперименты на KSTAR подтвердили предсказания с поразительной точностью.

Результаты, полученные на KSTAR, дают новую уверенность в способности прогнозировать оптимальные трехмерные поля для ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) — международного токамака, который строится во Франции, на котором планируется использовать специальные магниты для создания трехмерных искажений для контроля ELM. Такой контроль будет жизненно важен для ИТЭР, цель которого — произвести в 10 раз больше энергии, чем это потребуется для нагрева плазмы.

Jong-Kyu Park et al, 3D field phase-space control in tokamak plasmas, Nature Physics (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0268-8