Исследователи НИЯУ МИФИ построили масштабный макет будущего термоядерного реактора и разработали компактную измерительную систему, которая ловит микроскопические искажения магнитного поля, губительные для плазмы. Данные эксперимента показали, что реальные паразитные поля в несколько раз превышают предсказанные компьютерными моделями, заставляя пересмотреть подходы к проектированию.
Управляемый термоядерный синтез остаётся, пожалуй, самой амбициозной научной задачей современности. В основе любого токамака — магнитное поле, которое служит невидимой «бутылкой» для раскалённой плазмы. Чем сильнее и чище это поле, тем стабильнее плазма и выше мощность установки. Но идеальных катушек не существует. Микроскопический сдвиг провода при намотке или перекос при сборке порождают вредные вертикальные и радиальные «паразитные» поля, которые вызывают неустойчивости, выбрасывают частицы из ловушки и в итоге гасят реакцию. Особенно чувствительны к таким искажениям сферические токамаки — более компактные и перспективные конфигурации, где используется сплошной тороидальный соленоид с плавно переходящими друг в друга витками.
Уменьшенная копия реактора
Группа физиков из НИЯУ МИФИ под руководством Андрея Николаева при поддержке гранта Российского научного фонда создала уникальный экспериментальный комплекс, чтобы изучить проблему на практике. Они построили масштабный образец тороидального соленоида в масштабе 1:3 от создаваемого в МИФИ сферического токамака МИФИСТ-1 (MEPhIST-1). Это аккуратное кольцо, напечатанное на 3D-принтере, с проточенными канавками, в которые уложен медный провод. Конструкция сделана разборной: учёные могут менять конфигурацию намотки, устанавливать измерительные модули в разных поперечных сечениях и наблюдать, как меняется паразитное поле при изменении угла намотки. Кассета с датчиками легко вынимается, что даёт гибкость, недоступную на полноразмерных установках.
Умная плата вместо громоздких приборов
Сердце измерительной системы — специально спроектированная печатная плата размером 13,4 на 12,3 сантиметра. На ней расположена матрица из 36 трёхкомпонентных цифровых датчиков Холла, а также микроконтроллер и ячейка памяти. Система автономна: она синхронно опрашивает все датчики с частотой 1000 раз в секунду и записывает данные во встроенную память без участия внешнего компьютера. Чувствительность каждого сенсора менее 0,3 миллитесла. Главная инженерная задача, которую решили разработчики, заключалась в том, чтобы на фоне мощного основного поля разглядеть крошечные паразитные составляющие. Когда экспериментаторы подняли ток в катушке до 1200 ампер, картина прояснилась: основная паразитная составляющая — вертикальное поле, что совпадает с теорией.
Эксперименты показали, что хотя форма основного тороидального поля блестяще совпадает с компьютерной моделью, отношение паразитных полей к основному оказалось в несколько раз выше предсказанного. «Даже идеальный на первый взгляд проект натыкается на реальность: подводящие провода, микроскопические перекосы витков и наклоны датчиков вносят свою лепту», — пояснил Николаев. Полученный метод представляет собой мост между чистым расчётом и реальной машиной. Он поможет ответить на главный вопрос: где тот предел неточности, который губит плазму, и как построить катушку, чтобы этого избежать. Результаты исследования, опубликованные в авторитетном Bulletin of the Lebedev Physics Institute, лягут в основу проектирования новой катушки будущего реактора.
