Новое решение в области термоядерного синтеза кардинально изменило подход к удержанию плазмы

Новости МирТесен

Новое достижение в области магнитного удержания может способствовать более быстрому прогрессу в термоядерной энергетике. Благодаря этому прорыву ученые получили возможность более эффективно и точно захватывать высокоэнергетические частицы в термоядерных реакторах.

Новая конструкция разработана на основе теоретического подхода, предлагающего перспективное решение одной из ключевых проблем термоядерной энергетики: предотвращение утечки частиц из реакторных камер, что приводит к потере энергии.

Ученые из Техасского университета в Остине, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и компании Type One Energy Group, при поддержке Министерства энергетики США, разработали новый метод, который позволяет проектировать магнитные поля, необходимые для работы термоядерных реакторов, в частности стеллараторов. По их словам, новый подход позволяет ускорить этот процесс в 10 раз по сравнению с традиционными методами.

Новый метод открывает значительные перспективы, поскольку позволяет добиться желаемого результата без потери точности, что и являлось сдерживающим фактором для развития технологий магнитного удержания в прошлом.

Магнитное удерживание в термоядерных реакторах

Прогресс в термоядерной энергетике на протяжении многих лет тормозила задача удержания высокоэнергетических альфа-частиц в магнитных полях реакторов. В условиях экстремальных температур, характерных для реакторов, эти частицы могут выходить за их пределы, что приводит к охлаждению плазмы и снижению эффективности термоядерного синтеза.

Для обеспечения экстремальной температуры и плотности, необходимых для устойчивого протекания термоядерных реакций, инженеры традиционно использовали сложные системы, основанные на магнитном удержании частиц. Однако обнаружение и исправление дефектов в магнитных полях сопряжено со значительными затратами вычислительных ресурсов и времени.

«Не менее значимо, что мы находим решение задачи, которая оставалась нерешенной на протяжении почти семи десятилетий », — отмечает Джош Берби, доцент физического факультета Техасского университета и ведущий автор свежего , в документе подробно изложена деятельность команды.

По мнению Берби, новая разработка знаменует собой существенное изменение в подходах к проектированию реакторов».

Стеллараторы в центре внимания

Основным объектом изучения специалистов является стелларатор — тип термоядерного реактора, отличающийся тороидальной формой и сложной системой внешних обмоток, предназначенных для формирования управляемых магнитных полей. Эти устройства, разработанные впервые в 1950-х годах, формируют «магнитную бутылку», необходимую для удержания плазмы и частиц с высокой энергией.

Ранее инженеры использовали законы движения Ньютона для расчета траекторий частиц и выявления утечек, что требовало высокой точности, но сопряжено со значительными вычислительными затратами. Для проектирования стелларатора может потребоваться моделирование сотен, а порой и тысяч вариантов, чтобы обеспечить отсутствие утечек, и это быстро делает задачу практически неразрешимой.

Для ускорения работы исследователи нередко применяют упрощенный подход, называемый теорией возмущений. Он позволяет оценить возможные места возникновения утечек. Такой способ позволяет сэкономить время и усилия, однако зачастую это происходит в ущерб точности, что может замедлить развитие стеллараторов.

Метод, созданный Берби и его коллегами и основанный на принципах симметрии, позволяет достичь необходимой скорости и точности для проведения эффективных термоядерных реакций.

«На данный момент, без наших исследований, невозможно экспериментально подтвердить теоретические выкладки относительно удержания альфа-частиц », — недавно заявил Берби, комментируя работу команды. « Непосредственное использование законов Ньютона требует значительных затрат ».

«Теория возмущений предоставляет неточные результаты », — сказал Берби. «Наше теоретическое построение впервые предоставляет возможность преодолеть эти трудности ».

Данная технология может найти применение не только в стеллараторах, поскольку исследователи полагают, что она может быть полезна и для токамаков – еще одного перспективного устройства для магнитного термоядерного синтеза. В токамаках убегающие электроны, вырываясь, часто приводят к повреждению стенок реакторов.

Новая методика позволит ученым с большей точностью выявлять вероятные места утечки электронов, что может оказаться полезным для повышения безопасности и эффективности реакторов.