Симметричный тор Мэдисона обеспечивает стабильную плазму при температуре в 10 раз превышающей предел Гринвальда
В исследовании, опубликованном 29 июля в Physical Review Letters, физики из Университета Висконсин-Мэдисон создали плазму токамака, которая стабильна при температуре, в 10 раз превышающей предел Гринвальда. В эксперименте учёные использовали Madison Symmetric Torus (MST), который был разработан для работы в качестве токамака. Он позволяет напрямую сравнивать две тороидальные конфигурации в одном устройстве. В отличие от других токамаков, металлический пончик, в котором размещается плазма MST, толстый и высокопроводящий, что обеспечивает более стабильную работу. Результаты были получены в слабом магнитном поле и низкотемпературной плазме, которая не способна производить термоядерную энергию, поэтому вряд ли будут напрямую применимы к термоядерным реакторам, таким как ИТЭР и другим, которые строятся в надежде стать первыми токамаками с положительным чистым производством энергии.
Ученые WiPPL смогли экспериментально создать стабильную плазму в 10 раз больше предела Гринвальда (штриховая горизонтальная линия).
Кредит: изменено из Hurst et al, PRL 2024
Если когда-либо будет достигнута чистая положительная энергия синтеза, то ключевым фактором будет плотность: чем больше атомных ядер столкнется друг с другом, тем эффективнее будет реакция. Почти 40 лет назад Мартин Гринвальд определил предел плотности, выше которого плазма токамака становится нестабильной, и так называемый предел Гринвальда в лучшем случае был превышен в два раза в последующие десятилетия.
В исследовании , опубликованном 29 июля в Physical Review Letters, физики из Университета Висконсин-Мэдисон создали плазму токамака, которая стабильна при температуре, в 10 раз превышающей предел Гринвальда.
Результаты исследования могут иметь значение для термоядерных реакторов типа токамак, хотя исследователи предупреждают, что их плазму нельзя напрямую сравнивать с плазмой в термоядерном реакторе.
«Установки типа «токамак» считаются главными претендентами на создание термоядерного реактора, который будет вырабатывать энергию так же, как солнце», — говорит Ноа Херст, ученый из Висконсинской лаборатории физики плазмы (WiPPL) и ведущий автор исследования.
«Наше открытие этой необычной способности работать намного выше предела Гринвальда важно для повышения выработки термоядерной энергии и предотвращения повреждения машин».
Токамаки — это тороидальные устройства, по сути, полые металлические бублики, которые прогоняют ионизированную плазму через трубку, применяя как магнитное поле, так и электрический ток.
Эта форма, как было показано, особенно хорошо подходит для удержания плазмы, что необходимо для достижения высокой температуры и плотности, необходимых для синтеза. Но конструкция также может привести к нестабильности в плазме: по мере увеличения ее плотности плазма становится более турбулентной, заставляя плазму отдавать всю свою энергию стенке и остывать.
Устройство, которое команда WiPPL использовала в этом новом исследовании, — Madison Symmetric Torus, или MST. В течение многих лет MST работала как одна из ведущих программ по изучению обратного пинча поля, тороидальной конфигурации, тесно связанной с токамаком.
MST был разработан для работы в качестве токамака, что позволяет напрямую сравнивать две тороидальные конфигурации в одном устройстве. В отличие от других токамаков, металлический пончик, в котором размещается плазма MST, толстый и высокопроводящий, что обеспечивает более стабильную работу.
В 2018 году ученые MST получили финансирование на создание программируемых источников питания, что облегчает доступ к ряду конфигураций тороидальной плазмы, от токамака до обратного пинча поля. Херст был нанят в 2019 году для изучения плазмы MST в режиме токамака с новым источником питания.
«Моя работа заключалась в том, чтобы попытаться найти способы сделать плазму нестабильной», — говорит Херст. «Я пытался и обнаружил, что, ну, во многих случаях этого не происходит. Это было удивительно».
Симметричный тор Мэдисона, вид сверху.
Автор: Ноа Херст, WiPPL
Херст и его коллеги изучали плотность плазмы, пытаясь дестабилизировать плазму, вдувая все больше и больше газа. Они настроили источник питания так, чтобы он обеспечивал необходимое напряжение для поддержания постоянного тока в 50 000 ампер в каждой плазме (по мере увеличения плотности плазмы она становится более резистивной, и для поддержания постоянного тока требуется большее напряжение).
Они измерили достигнутую плотность плазмы с помощью интерферометров, наблюдая за плазмой вдоль 11 различных линий зрения.
Предел Гринвальда — это просто отношение плотности плазмы к произведению тока плазмы и размера плазмы, простая метрика, которая позволяет сравнивать различные устройства и условия эксплуатации. С тех пор, как был определен предел, только несколько устройств работали выше него, и самое большее в два раза.
«Здесь мы достигли коэффициента 10», — говорит Херст. «Будущие токамаки реакторного масштаба, вероятно, должны будут работать вблизи или выше предела Гринвальда, поэтому если мы сможем лучше понять, что вызывает предел плотности, и понять физику того, как мы достигли десятикратного превышения предела, то, возможно, у нас есть шанс что-то с этим сделать».
Хотя исследователи уверены в своих результатах, они неожиданны. Команда активно изучает объяснения.
«Первое, что мы бы спросили, это чем наша машина отличается от других машин?» — говорит Херст. «MST сильно отличается, потому что он был спроектирован с более толстыми стенками, чем большинство токамаков. Кроме того, большинство токамаков производят плазму с более низким сопротивлением, поэтому им не нужны такие высокие напряжения, как нам, чтобы работать».
Херст также подчеркивает, что эти результаты вряд ли будут напрямую применимы к термоядерным реакторам, таким как ИТЭР и другим, которые строятся в надежде стать первыми токамаками с положительным чистым производством энергии. Но он и его команда настроены осторожно оптимистично.
«Наши результаты были получены в слабом магнитном поле, низкотемпературной плазме, которая не способна производить термоядерную энергию. Тем не менее, мы были первыми, кто смог это сделать, и с чего-то нужно начинать», — говорит Херст.
«Мы продолжим изучать эту плазму, и мы думаем, что то, что мы узнаем, может помочь более производительным термоядерным устройствам работать при более высоких плотностях, необходимых для их успешной работы».
