Квазисимметричный стелларатор взял реванш у токамаков
Первая демонстрация работы принципа квазисимметрии в магнитной удерживающей системе… Непонятно? За зубодробительными выкладками, описывающими поля сложной формы и поведение капризной плазмы, стоит устройство на лицо ужасное — доброе внутри.
Доброе, поскольку обещает (стучим по дереву) управляемый синтез без проблем.
Перекрученный несколько раз «пончик», с такими же закрученными и изогнутыми магнитными катушками, с инструментами и датчиками, торчащими под самыми странными углами… Что и говорить, неказистое сооружение. Но, возможно, перед нами — будущее энергетики.
Необычное устройство, совмещающее в себе достоинства стеллараторов и токамаков, но без их недостатков, построили Дэвид Андерсон (David Anderson) и его коллеги из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison). На испытаниях аппарат, потенциально способный стать термоядерным реактором, показал любопытные сочетания параметров, о чём его создатели и поведали в статье в журнале Physical Review Letters.
Схема HSX (иллюстрация University of Wisconsin-Madison).
Новый аппарат называется «Геликоидный симметричный эксперимент» (Helically Symmetric eXperiment — HSX). Его проектирование Андерсон сотоварищи начали 17 лет назад.
Теперь эта машина заработала, и её создатели полагают, что HSX — самый совершенный и перспективный стелларатор в мире.
Замысловатая форма вакуумной камеры HSX (иллюстрация University of Wisconsin-Madison).
Тут необходимо сделать отступление. Для управляемого синтеза гелия из водорода необходимо удерживать очень горячую плазму в магнитных полях.
Тут существует два главных подхода: учёные создают ловушки — токамаки и стеллараторы.
Первые обладают камерой в виде тора с простым овальным сечением и ровной круглой формой в плане. Токамаки оснащаются сравнительно простыми (по форме) плоскими магнитами и отличаются более-менее низкой потерей энергии плазменного жгута, что, потенциально, предопределяет и низкий расход энергии на поддержание плазмы.
Стеллараторы, в первом приближении, это тоже «бублики». Но форма их очень сложна: и сечение их имеет непростую форму, и сам «бублик» несколько раз перекручен и изогнут.
Магниты, создающие удерживающее поле, здесь весьма сложны по геометрии. Причём физикам известно несколько вариантов формы стелларатора, к которым Андерсон добавил ещё один.
Логичный вопрос — зачем?
Не менее «безумными» по форме выглядят и главные катушки. В частности, на этом рисунке мы видим пару (отмечены цифрами) таких магнитов, закреплённых в поддерживающей системе (иллюстрация University of Wisconsin-Madison).
Дело в том, что у токамаков есть проблема со стабильностью плазмы, которая всё норовит дрейфовать к стенкам камеры. У стеллараторов проблем с этим нет.
Но, словно взамен, у стеллаторов есть другой недостаток — здесь велики потери энергии плазмы. Из-за этого таким машинам трудно достичь необходимых температур и времени удержания, достаточных для запуска термоядерной реакции.
HSX — первый в мире стелларатор с так называемым квазисимметричным магнитным полем. Форму его (и поля, и стелларатора, конечно же) учёные подбирали много лет.
Но теперь машина работает и показывает очень обнадёживающие результаты.
Авторы этого небольшого чуда сообщают, что, сохранив прекрасную устойчивость плазмы, свойственную стеллараторам вообще, новый аппарат обладает значительно меньшей потерей энергии при большей электронной температуре, в сравнении со стеллараторами прежних схем. А ведь возможности конструкции не исчерпаны.
Сейчас создатели устройства намерены ещё поработать над проектом и поднять параметры плазмы до новых высот.
Готовый HSX. Среднее расстояние от центра устройства до центра плазменного шнура равно 1,2 метра (фото University of Wisconsin-Madison).
Андерсон полагает, что идеи, опробованные в HSX, вполне могут лечь в основу промышленных энергетических термоядерных реакторов. И пусть сторонники токамаков кусают локти.
Токамаки, впрочем, без боя не сдадутся. Мы уже рассказывали, как китайский токамак показал превышение энергетического выхода над затратами, а американцы нашли оригинальный способ стабилизации плазмы в таких устройствах.
Да и самый крупный проект такого рода — International Thermonuclear Experimental Reactor — всё же токамак. Оправдан был такой выбор или нет – покажет время.
Впрочем, всегда можно обратиться к другим вариантам управляемого синтеза. Можно вспомнить, к примеру, проект энергетического реактора синтеза при помощи тяжёлых ионов или воспроизведённый неоднократно, но всё равно скандальный и спорный соносинтез.
Что-нибудь однажды заработает на всю катушку.
Токамак
