Управляемый термоядерный синтез требует точного контроля параметров плазмы — вещества, разогретого до сотен миллионов градусов и удерживаемого в магнитных ловушках токамаков. Один из ключевых методов оценки её состояния — диамагнитная диагностика, измеряющая, насколько горячая плазма «вытесняет» удерживающее магнитное поле. На основе этого сигнала десятилетиями использовали стандартную аналитическую формулу для оценки давления плазмы (параметра βp), фактически — для оценки запасённой в ней энергии.
Российские исследователи решили проверить, насколько эта упрощённая формула точна в современных режимах работы токамаков. Они использовали вычислительный код SPIDER, который моделирует равновесие плазмы, и создали «виртуальный токамак». Для тысяч конфигураций плазмы варьировали давление (βp) и внутреннюю индуктивность (li), описывающую распределение тока по сечению, рассчитывали точный диамагнитный сигнал по уравнениям физики и сравнивали его с результатом стандартной формулы. Работа опубликована в журнале Physics of Plasmas.
Анализ показал, что принятая формула надёжно работает только в узком диапазоне, когда комбинация βp + li/2 близка к единице. Если это значение меньше 1 (режимы с низким давлением), формула систематически завышает реальное давление плазмы, а при высоких давлениях, когда βp + li/2 существенно больше 1, наоборот — занижает его. Погрешность может достигать десятков процентов, что неприемлемо для точного управления мощными разрядами на современных установках и в будущем реакторе ИТЭР.
Научный сотрудник кафедры плазменной энергетики МФТИ Владимир Пустовитов отметил, что точность «старого» подхода зависит не только от давления плазмы, но и от профиля тока, тогда как раньше это практически не учитывали. Исследование не только фиксирует наличие расхождений, но и подробно картирует ошибку во всём диапазоне параметров, объясняя её физическую пририну.
Авторы предлагают более точный метод обработки диамагнитных данных, основанный на строгих вириальных соотношениях. Он позволяет корректнее оценивать запасённую в плазме энергию, что критично для выбора режимов нагрева и удержания. Это, по их мнению, поможет повысить надёжность работы существующих токамаков и упростит отладку сценариев зажигания термоядерной реакции на будущих установках. Одновременно работа ставит задачу для теоретиков — разработать новые аналитические формулы, достаточно точные и при этом пригодные для использования в системах реального времени, сообщает naked-science.ru.
Читайте также: