Первые доказательства существования геликонового тока в эксперименте по термоядерному синтезу
Впервые группа физиков из США убедительно продемонстрировала "геликоновый ток" в эксперименте по термоядерному синтезу. Возглавляемая Джеффом Лесцем из компании General Atomics в Сан-Диего, группа учёных использовала последние достижения в технологии токамаков, чтобы показать, что радиоволны, направленные на распространение внутри устройства в форме пончика, могут поглощаться удерживаемой плазмой, создавая внутри неё электрический ток. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут помочь будущим термоядерным реакторам работать непрерывно.
Фото. Элемент передовой гребенчатой антенны на исследовательском токамаке DIII-D компании General Atomics в Сан-Диего. Фото: Боб Пинскер.
Внутри токамака (DIII-D компании General Atomics) плазма удерживается магнитным полем, создаваемым в основном сильным электрическим током, протекающим «тороидально» через саму плазму по окружности кольца. В традиционных конструкциях этот ток индуцируется центральным соленоидом, расположенным в «отверстии» кольца. Действуя подобно первичной обмотке трансформатора, он индуцирует ток в плазме по мере изменения собственного тока. В идеале этот плазменный ток должен течь непрерывно, но трансформатор может индуцировать ток только тогда, когда магнитное поле соленоида изменяется. Для поддержания плазменного тока соленоид должен плавно переходить через весь диапазон токов, которые он может пропускать.
Суммарное изменение магнитного потока, которое он может обеспечить таким образом, называется "колебанием потока". После того, как оно исчерпается, плазменный ток больше не может поддерживаться, и плазму необходимо отключить для подготовки к новому рабочему импульсу. Длительность импульса в токамаке DIII-D ограничена примерно 10 секундами, в то время как гораздо более крупная установка ITER будет ограничена менее чем 1000 секундами в своем номинальном режиме работы.
Один из способов решения — создание плазменного тока без использования соленоида. В наиболее эффективном из продемонстрированных на данный момент методов радиоволны направляются в плазму, толкая электроны в одном направлении вокруг тора. Однако в более крупных и горячих реакторных плазмах эти волны, вероятно, будут поглощаться слишком близко к краю плазмы, прежде чем достигнут области, где необходим дополнительный ток. В 1980-х годах появились идеи использования другого типа радиоволн в том же частотном диапазоне, называемых "геликонами". Поскольку геликоны поглощаются электронами менее эффективно, они могли бы проникать глубже в горячую плазму реактора. Их можно запускать с помощью специальной антенны, называемой "гребенчатой антенной": ряда излучающих элементов, расположенных вдоль тороидального направления токамака и направленных в плазму.
Энергия, подаваемая на один конец гребенчатой линии, передается от элемента к элементу, так что каждый из них колеблется немного позже своего соседа. Это создает волнообразный рисунок, который запускает радиоволны в плазму, направляя их преимущественно в одном направлении вокруг тора. Электроны, движущиеся вдоль магнитного поля примерно с той же скоростью, что и волны, могут затем "скользить" по ним, поддерживая ток без какой-либо помощи соленоида.
В данной работе физики продемонстрировали эту идею, используя систему геликоновых волн мегаваттного уровня, показав, что волны передали свою энергию в ядро плазмы. По сравнению с аналогичными экспериментами, где геликоны были заменены сопоставимым количеством микроволнового нагрева, структура магнитного поля плазмы также изменялась заметно быстрее — явный признак того, что геликоны создают дополнительный ток.
