Ученые используют несовершенства магнитных полей для улучшения термоядерного синтеза плазмы.
В японском искусстве Кинцуги художник берет осколки чаши и сплавляет их обратно с золотом, чтобы сделать конечный продукт более красивым, чем оригинал.
Эта идея вдохновляет на новый подход к управлению плазмой, сверхгорячим состоянием вещества, для использования в качестве источника энергии. Ученые используют несовершенства магнитных полей, ограничивающих реакцию, для улучшения состояния плазмы в рамках подхода, изложенного в новой статье в журнале Nature Communications.
“Такой подход позволяет поддерживать высокоэффективную плазму, одновременно контролируя нестабильность в ядре и на границе плазмы. Такой одновременный контроль особенно важен и сложен в исполнении. Именно это делает эту работу особенной ”, - сказал Джозеф Снайпс из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США. Он является заместителем руководителя научно-экспериментального отдела токамака в PPPL и был соавтором статьи.
Физик из PPPL Сон Му Янг возглавлял исследовательскую группу, в состав которой входят различные институты США и Южной Кореи. Янг говорит, что это первый случай, когда исследовательская группа утвердила системный подход к корректировке дефектов магнитного поля, чтобы сделать плазму пригодной для использования в качестве источника энергии. Эти дефекты магнитного поля известны как поля ошибок.
“Наш новый метод определяет оптимальные коррекции поля ошибок, повышая стабильность плазмы”, - сказал Янг. “Было доказано, что этот метод повышает стабильность плазмы при различных условиях плазмообразования, например, когда плазма находилась в условиях высокого и низкого магнитного удержания”.
Янг представляет исследования на Национальном исследовательском слэме Министерства энергетики США.
Ошибки, которые трудно исправить
Поля ошибок обычно вызываются незначительными дефектами в магнитных катушках устройства, удерживающего плазму, которое называется токамаком. До сих пор поля ошибок рассматривались только как помеха, потому что даже очень маленькое поле ошибок могло вызвать разрушение плазмы, которое останавливало термоядерные реакции и могло повредить стенки термоядерного сосуда. Следовательно, исследователи термоядерного синтеза потратили значительное время и усилия на тщательный поиск способов исправления полей ошибок.
“Довольно сложно устранить существующие поля ошибок, поэтому вместо исправления этих неровностей катушки мы можем применить дополнительные магнитные поля, окружающие термоядерный сосуд, в процессе, известном как исправление поля ошибок”, - сказал Янг.
В прошлом такой подход также повредил бы сердцевине плазмы, сделав ее непригодной для выработки термоядерной энергии. На этот раз исследователям удалось устранить нестабильность на границе плазмы и сохранить стабильность активной зоны. Исследование является ярким примером того, как исследователи PPPL преодолевают разрыв между сегодняшними технологиями термоядерного синтеза и тем, что потребуется для подачи энергии термоядерного синтеза в электрическую сеть.
“На самом деле это очень эффективный способ нарушить симметрию системы, чтобы люди могли намеренно разрушить изоляцию. Это все равно, что проделать крошечное отверстие в воздушном шаре, чтобы он не взорвался ”, - сказал Сангкен Ким, штатный научный сотрудник PPPL и соавтор статьи. Точно так же, как воздух вытекает из маленького отверстия в воздушном шаре, крошечное количество плазмы вытекает из поля ошибки, что помогает поддерживать его общую стабильность.
Одновременное управление активной зоной и краем плазмы
Одна из самых сложных частей управления термоядерной реакцией - заставить вести себя одновременно ядро и край плазмы. В обеих областях есть идеальные зоны для температуры и плотности плазмы, и поразить эти цели, устранив нестабильность, непросто.
Это исследование демонстрирует, что корректировка полей ошибок может одновременно стабилизировать как ядро, так и край плазмы. Тщательно контролируя магнитные поля, создаваемые катушками токамака, исследователи смогли подавить краевую нестабильность, также известную как краевые локализованные моды (ELMs), не вызывая сбоев или существенной потери герметичности.
“Мы пытаемся защитить устройство”, - сказал физик-исследователь из штата PPPL Цимин Ху, автор статьи.
Расширение исследований за пределы KSTAR
Исследование проводилось с использованием токамака KSTAR в Южной Корее, который отличается способностью очень гибко регулировать конфигурацию магнитного поля. Эта возможность имеет решающее значение для экспериментов с различными конфигурациями полей ошибок, чтобы найти наиболее эффективные для стабилизации плазмы.
Исследователи говорят, что их подход имеет значительные последствия для проектирования будущих пилотных термоядерных установок токамак, потенциально делая их более эффективными и надежными. В настоящее время они работают над версией своей системы управления с искусственным интеллектом (ИИ), чтобы сделать ее более эффективной.
“Эти модели довольно сложны; их расчет требует некоторого времени. Но когда вы хотите что-то сделать в системе управления в реальном времени, вы можете позволить себе всего несколько миллисекунд на выполнение расчетов ”, - сказал Снайпс. “Используя ИИ, вы можете в принципе научить систему, чего ожидать, и иметь возможность использовать этот искусственный интеллект для заблаговременного прогнозирования того, что будет необходимо для управления плазмой и как реализовать это в режиме реального времени ”.
В то время как в их новой статье освещается работа, проделанная с использованием внутренних магнитных катушек KSTAR, Ху предполагает, что будущие исследования с магнитными катушками вне термоядерного сосуда были бы ценными, поскольку сообщество термоядерщиков отказывается от идеи размещения таких катушек внутри вакуумированного сосуда из-за потенциального разрушения таких компонентов от чрезмерного нагрева плазмы.