Будущее термоядерного синтеза может лежать в компактных сферических термоядерных установках, которые предлагают более экономичный вариант термоядерного синтеза. Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE), частной компании Tokamak Energy и Университета Кюсю в Японии предложили пилотный проект компактной сферической установки термоядерного синтеза, которая нагревает плазму только с помощью микроволн.
Обычно сферические токамаки используют массивную катушку из медной проволоки, называемую соленоидом, расположенную около центра сосуда, для нагрева плазмы, а также инжекцию нейтрального пучка. Однако новый подход исключает омический нагрев, который является стандартным для токамаков.
«Компактная сферическая плазма токамака выглядит как очищенное яблоко с относительно небольшим ядром, поэтому в ней нет места для омической нагревательной спирали. Если не придется включать омическую нагревательную спираль, мы, вероятно, сможем спроектировать устройство, которое будет проще и дешевле создать», — сказал Масаюки Оно, главный научный физик в PPPL и ведущий автор статьи.
Микроволны, генерируемые с помощью устройства, известного как гиротрон, будут располагаться снаружи токамака и направлены к ядру. Когда гиротроны испускают мощные волны в плазму, они генерируют ток, перемещая отрицательно заряженные электроны. Этот процесс, известный как привод электронного циклотронного тока (ECCD), одновременно и запускает ток, и нагревает плазму.
Исследователи использовали компьютерные коды TORAY и TRANSP для определения идеального угла луча и режима нагрева. Они обнаружили, что режим X является наилучшим для наращивания температуры и тока плазмы, в то время как режим O является лучшим выбором после наращивания, когда температуру и ток плазмы просто нужно поддерживать.
Авторы также исследовали, как мощность будет излучаться из плазмы, и обнаружили, что будет особенно важно минимизировать количество примесей от элементов с высоким атомным номером, которые могут способствовать потере тепла. Даже относительно небольшое количество элемента с высоким атомным номером может охлаждать плазму, когда атомы со стенок токамака распыляются и попадают в плазму.
Новый подход может упростить и удешевить строительство компактного сферического токамака, что может привести к более экономичному варианту термоядерного синтеза в будущем.