Команда немецких ученых совместно с исследователем Сэмом Лазерсоном из Принстонской лаборатории плазменной физики изучила топологию магнитного поля, создаваемого стелларатором Wendelstein 7-X (W7-X). По словам физиков, погрешность в создаваемом поле, то есть отклонение от заданной формы, составляет менее 10^-4. Исследователи отмечают, что подобный результат может стать важным шагом на пути подтверждения пригодности стеллараторов в качестве модели будущих термоядерных реакторов. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

"Wendelstein 7-X (W7-X) представляет собой экспериментальный термоядерный реактор типа стелларатор. В отличие от обычных ядерных реакторов, где энергия выделяется из-за реакции распада тяжелых ядер на более легкие, термоядерные реакторы используют реакцию управляемого синтеза, в ходе которой легкие ядра «собираются» в более тяжелые. На сегодняшний день существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза: импульсные системы, в которых небольшие мишени, содержащие дейтерий и тритий, нагреваются мощными лазерными лучами, и квазистационарные системы, где нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем. Стелларатор относится к последнему типу систем.

Он был изобретен еще в 1950-х годах, однако результаты первых экспериментов по удержанию и контролю высокотемпературной плазмы оказались неудовлетворительными. Дело в том, что плазма в стеллараторах постоянно «расплескивалась»: траектории частиц в первых установках сильно отклонялись от магнитных поверхностей. Из-за этого реакторы подобного типа были вытеснены более совершенными по тем временам токамаками. Как выяснилось позднее, причина неудач заключалась в несовершенстве структуры магнитных поверхностей стелларатора (например, в возникновении так называемых магнитных островов). Появление суперкомпьютеров, обладающих достаточной вычислительной мощностью для проведения высокоточных расчетов конфигураций магнитных полей, позволило ученым вернуться к усовершенствованию конструкции стеллараторов.

Экспериментальная визуализация магнитных линий магнитной поверхности. Nature Communications, 2016

В апреле 2005 года немецкие ученые из института Макса Планка приступили к строительству W7-X. Он состоит из 50 сверхпроводящих ниобий-титановых катушек высотой около 3,5 метров, которые могут создавать магнитное поле индукцией три тесла, удерживающее плазму с температурой 60–130 миллионов градусов Цельсия. Несмотря на то, что Wendelstein 7-X не станет промышленным термоядерным реактором, успешность экспериментов, проводимых с его помощью, позволит подтвердить возможность использования стеллараторов для получения энергии при помощи управляемого термоядерного синтеза.

Авторы новой статьи измерили топологию магнитного поля, создаваемого внешними катушками стелларатора, для того, чтобы убедиться, что W7-X работает именно так, как он был спроектирован. Для этого они использовали электронную пушку, которая выбрасывала пучки электронов вдоль генерируемого магнитного поля. В то время как электроны двигались по траектории, задаваемой магнитными линиями, ученые сделали «срез» поля: они провели прутом с флуоресцентным покрытием (ZnO:Zn) сквозь магнитные линии, который начинал светиться в местах контакта с движущимися пучками электронов. В момент движения прутика, исследователи делали фотографию на длинной выдержке, что позволило увидеть топологию магнитной поверхности.

Эксперимент показал хорошее соответствие между спроектированной и создаваемой магнитной поверхностью. По словам исследователей, отклонение, вызванное появлением магнитных островов (закрытых областей магнитной поверхности), составляет менее 0,00001. «Это удивительная точность, причем это касается не только конструкции термоядерной установки, но и проведенных измерений», — комментирует один из авторов работы. Подобное соответствие оригинальному дизайну крайне важно, так как оно влияет на то, насколько хорошо W7-X будет удерживать плазму.

В прошлом году исследователи провели испытания реактора и получили гелиевую плазму. При помощи микроволнового импульса мощностью 1,8 киловатт они нагрели миллиграмм газообразного гелия до очень высокой температуры, после чего удержали полученную плазму в равновесии в течение 0,1 секунды.

Автор: Кристина Уласович