Сотрудники Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США построили свой первый стелларатор за последние пятьдесят лет, но на тот раз на постоянных магнитах в 3D-печатной оболочке вместо электрических. Ученые считают, что такой подход позволит упростить и удешевить производство опытных реакторов, а заодно повысит эффективность исследований в области термоядерной физики.
Стелларатор MUSE
Стеллараторы — это разновидность реакторов для управляемого термоядерного синтеза. Самый первый стелларатор построен в 1951-53 годах командой под руководством астрофизика Лаймана Спицера в лаборатории Принстонского университета, работавшей над тогда еще секретным проектом по разработке термоядерного оружия. Спицер к тому времени утратил интерес к бомбам, но не к термоядерному синтезу. В итоге проект разделили на два параллельных исследования: одна команда занималась оружием, а вторая — реакторами. Работа Спицера и его команды над стеллараторами и привела к формальному учреждению в 1961 году Принстонской лаборатории физики плазмы.
Главная и самая сложная задача таких устройств — удерживать плазму в магнитной ловушке. Обычно стеллараторы генерируют ловушки с помощью электромагнитов сложной формы, но это требует исключительной точности, что выливается в высокую стоимость производства. Вместо этого сотрудники лаборатории соорудили стелларатор под названием MUSE из вакуумной камеры в 3D-печатной оболочке, усеянной относительно недорогими, коммерчески доступными постоянными магнитами.
«Использование постоянных магнитов — это совершенно новый подход к конструированию стеллараторов. Этот метод позволяет быстро проверять новые идеи по изоляции плазмы и без труда собирать новое оборудование», — рассказал аспирант Тони Циень.
Встроенные постоянные магниты
Идея стелларатора на постоянных магнитах принадлежит старшему научному сотруднику Принстонской лаборатории физики плазмы Майклу Зарнсторфу, взявшему на себя руководство проектом. Как пояснил Майкл, десять лет тому назад он осознал, что магниты из сплавов редкоземельных элементов могут генерировать достаточно мощные и стабильные поля для изоляции плазмы при термоядерном синтезе.
Самая популярная схема термоядерных реакторов на сегодняшний день — токамаки, использующие относительно простые магниты для создания тороидальных полей и удержания плазмы. С другой стороны, токамаки также полагаются на полоидальные поля, генерируемые электрическим током в самой плазме, что может приводить к нарушению течения реакций термоядерного синтеза. В стеллараторах и тороидальные, и полоидальные поля генерируются внешними электромагнитами, но ценой усложнения конструкции магнитов, значительно повышающего стоимость, а следовательно снижающего рентабельность в коммерческой перспективе. Замена магнитных катушек массивами постоянных магнитов может решить эту проблему.
3D-печатная оболочка вакуумной камеры
Кроме того, новый реактор демонстрирует довольно высокую квазисимметрию, а точнее даже квазиосесимметрию: хотя форма магнитного поля и самого стелларатора отличаются, сила поля внутри реактора равномерна. Это способствует эффективной изоляции плазмы и повышает шансы на успешные реакции. Ученые утверждают, что показатели квазисимметрии нового стелларатора как минимум в сто раз выше, чем у существующих аналогов.
Доклады научной команды по проекту MUSE опубликованы в изданиях Journal of Plasma Physics и Nuclear Fusion.
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.