Учёные разработают магнитный щит против самой опасной угрозы для термоядерных реакторов
В национальной установке DIII-D по изучению термоядерного синтеза начинается новый исследовательский проект, призванный решить одну из самых серьёзных проблем на пути к коммерческой термоядерной энергии — разрушительную цепную реакцию образования высокоэнергетических убегающих электронов. Исследование, поддержанное новой стипендией для аспирантов (SCGSR) от Научного офиса Министерства энергетики США, направлено на изменение подхода к управлению сбоями в плазме.
Вместо того чтобы позволять энергичным частицам ударять и повреждать внутренние стенки реактора, учёные исследуют способы их безопасного «стравливания» с использованием собственной магнитной архитектуры плазмы. Техническое исполнение проекта на площадке DIII-D возглавит аспирант Обернского университета Джессика Эскью, научным руководителем которой является доктор Эвдокия Костадинова. Благодаря получению престижной стипендии SCGSR, Эскью сможет объединить теоретическое моделирование, проводимое в Оберне, с экспериментальными возможностями установки DIII-D, сотрудничая с группой доктора Дмитрия Орлова из Калифорнийского университета в Сан-Диего над созданием практических систем управления плазмой.
Проблема заключается в так называемых «лавинах» высокоскоростных электронов. В токамаке, тороидальной установке, использующей магнитные поля для удержания плазмы, могут происходить внезапные сбои. Во время этих событий электроны могут ускоряться до скоростей, близких к скорости света, формируя высокоэнергетический пучок. Если этот процесс не остановить, убегающие электроны действуют как локализованная горелка, способная расплавить или серьёзно повредить элементы первой стенки реактора. Для будущих коммерческих термоядерных станций один такой неконтролируемый инцидент может привести к ущербу в миллионы долларов и простоям на месяцы.
Инновационность проекта заключается в использовании динамики магнитных островов. Фокус смещается в сторону более хирургического подхода к смягчению последствий сбоя. Вместо простого гашения плазмы газом или замороженными гранулами, новое исследование изучает магнитные острова. Эти трубкообразные структуры образуются, когда силовые линии магнитного поля «разрываются» и пересоединяются. Хотя их часто считают помехой, ухудшающей удержание плазмы, данное исследование предполагает, что их можно использовать в качестве механизма контроля. Управляя тем, как эти острова разделяются и реорганизуются через манипуляции с топологией магнитного поля, учёные полагают, что смогут создавать «пути эвакуации» для энергичных электронов. Конечная цель — добиться контролируемого высвобождения, намеренно отводя эти электроны медленным, управляемым потоком, вместо того чтобы позволить им ударить в стенку все разом.
«Убегающие электроны — одна из самых серьёзных проблем для будущих термоядерных электростанций, — отмечает Джессика Эскью. — Контролируя магнитную структуру плазмы, особенно то, как магнитные острова разделяются и реорганизуются, может появиться возможность намеренно высвобождать эти электроны управляемым способом, вместо того чтобы позволять им одновременно ударять по элементам первой стенки внутри реактора». Разработка прогнозного моделирования опирается на эксперименты, которые показывают, что топология магнитного поля является основным фактором, определяющим поведение электронов во время сбоя.
Исследование будет проводиться в рамках партнёрства между физическим факультетом Обернского университета, Калифорнийским университетом в Сан-Диего и Национальной установкой DIII-D — крупнейшим экспериментом в области магнитного термоядерного синтеза в США. Команда будет использовать уникальные диагностические системы DIII-D для наблюдения за эволюцией магнитных структур в реальном времени. Эти данные необходимы для создания систем управления для реакторов следующего поколения, включая международный проект ИТЭР. Овладев «топологией плазмы», исследователи приближаются к созданию термоядерного реактора, который будет не только эффективным, но и достаточно устойчивым для непрерывной работы.