Сотрудники Национального исследовательского ядерного университета МИФИ разработали экспериментальный комплекс для прецизионного измерения магнитных полей в сферических токамаках.
Установка позволяет с высокой точностью выявлять «паразитные» поля, возникающие из-за микроскопических неточностей сборки и искажающие форму плазменного шнура. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в авторитетном издании Bulletin of the Lebedev Physics Institute.
Невидимая ловушка и враги плазмы
Сферические токамаки рассматриваются мировым научным сообществом как одно из наиболее перспективных направлений в управляемом термоядерном синтезе. Благодаря компактности и улучшенным параметрам удержания плазмы они могут стать основой для коммерческих энергетических установок будущего.
В основе любого термоядерного реактора лежит магнитное поле, которое удерживает раскаленную плазму и не позволяет ей соприкасаться со стенками камеры. От силы и геометрии этого поля напрямую зависят устойчивость реакции и итоговая мощность установки.
Однако классические конструкции магнитных катушек имеют производственные изъяны. Малейший сдвиг провода при намотке, температурные деформации или перекос при монтаже приводят к появлению вертикальных и радиальных паразитных полей. Эти искажения вызывают неустойчивости, выбивают заряженные частицы из магнитной ловушки и в итоге гасят термоядерную реакцию.
Обычно инженеры полагаются на компьютерное моделирование, но в реальности возникают физические нюансы. Микроскопические дефекты и влияние подводящих коммуникаций невозможно полностью предсказать исключительно расчетными методами, что требует обязательных физических измерений на макетах.
Полигон в масштабе один к трем
Для изучения проблемы исследователи построили масштабный образец токамака МИФИСТ-1 в соотношении один к трем. Конструкция представляет собой разборное кольцо, напечатанное на 3D-принтере, с проточенными канавками для укладки медного провода. Разборный формат обеспечивает гибкость эксперимента: конфигурацию можно менять, а измерительные модули устанавливать в различных поперечных сечениях, отслеживая рост паразитного поля при изменении угла намотки. Кассета с датчиками может быть извлечена без полного демонтажа конструкции, что ускоряет цикл измерений и недоступно при работе с полноразмерными установками.
Ключевым элементом комплекса стала специально спроектированная печатная плата с матрицей из 36 трехкомпонентных цифровых датчиков Холла, расположенных в четыре ряда по горизонтали и девять по вертикали. Автономная система синхронно опрашивает все датчики с частотой тысячу раз в секунду, записывая массивы данных во встроенную память.
Главная инженерная задача заключалась в том, чтобы на фоне мощного основного тороидального поля зафиксировать крошечные паразитные составляющие. Чувствительность каждого датчика составляет менее 0,3 миллитеслы, что сопоставимо с необходимостью зафиксировать слабую аномалию на фоне громкого промышленного шума. При токе в 180 ампер слабые искажения тонули в шумах, однако при повышении тока до 1200 ампер картина стала ясной: основной паразитной составляющей оказалось вертикальное поле, что в целом согласуется с теоретическими выкладками.
Мост между расчетом и реальной машиной
Проведенные эксперименты показали, что форма основного тороидального поля с высокой точностью совпадает с компьютерной моделью. Однако отношение величины паразитных полей к основному оказалось в несколько раз выше предсказанных значений. Подводящие силовые провода, микроскопические перекосы витков и даже минимальные наклоны самих датчиков вносят существенный вклад в общее искажение магнитной конфигурации.
Расхождение с теоретическими выкладками – источник важных данных для инженерии. Разработанный метод позволяет точно определить предел допустимой неточности сборки, при котором плазма теряет устойчивость, и скорректировать конструкцию катушек будущих реакторов так, чтобы избежать фатальных искажений.
Установка дает инженерам возможность заранее закладывать компенсационные механизмы в архитектуру реактора. Понимание того, какие именно элементы конструкции вносят наибольший вклад в паразитные поля, позволяет оптимизировать маршруты прокладки силовых кабелей, ужесточить допуски на намотку и предусмотреть системы активной коррекции.
Степан Крат - старший научный сотрудник Института лазерных и плазменных технологий МИФИБыло проведено более 200 экспериментов, чтобы определить нужное количество витков для получения оптимальной геометрии магнитного поля. Даниил Уласевич проводил исследования, направленные на оптимизацию магнитных полей в катушках полоидального магнитного поля. Хочу подчеркнуть важный момент – эти научные результаты уже реализованы на практике