Ученые выдвинули новую идею для конструкции реактора ядерного синтеза, соединяющую преимущества токамаков и стеллараторов. Такой подход позволит устранить проблемы стабильности типичных токамаков и ограниченность мощности, присущую стеллараторам, что повысит производительность всей системы. Внешне новая конструкция напоминает обычные токамаки, однако ее сердце украшают изогнутые электромагнитные петли, называемые «банановыми катушками».
В реакторах ядерного синтеза энергию вырабатывают при помощи мощных магнитных полей, удерживающих плазму при высоких температурах в ограниченном объёме. Для этого токмаки окружают электромагнитными катушками. Имея форму кольца (или тора), эти реакторы вмещают большое количество плазмы. Но токамаки полагаются на электрические токи, создаваемые из плазмы для формирования магнитного поля, что может вызвать нестабильность, способную повредить реактор и помешать синтезу.
Стеллараторы — это модульные реакторы, состоящие из множества витых катушек, намотанных вокруг тора. Плазма удерживается спиральным магнитным полем, которое формируется благодаря сложному расположению катушек. Такие конструкции сложны в строительстве и вмещают сравнительно небольшой объем плазмы по сравнению с токамаками.
Исследователи из Института физики плазмы имени Макса Планка в Грайфсвальде (Германия) предлагают объединить две концепции и использовать лучшие их черты для преодоления недостатков. Такая комбинация позволит применять катушки, конструкция которых проста, и использовать большие объемы плазмы без проблем с нестабильностью, характерными для обычных токамаков. Такая система будет работать лучше и надежнее. К тому же, ей требуется меньше энергии, чем обычным реакторам.
Стабильность возрастает с увеличением объема плазмы.
В новом исследовании команда предложила новую концепцию токамака с закрученными петлями в центре, напоминающими те, что есть в стеллараторах. Эти петли, называемые «банановыми катушками», создают достаточное кручение магнитных полей, чтобы преодолеть нестабильности плазмы, свойственные токамакам.
По расчётам учёных, «банановые катушки» помогут преодолеть главный недостаток токамаков: необходимость вводить ток для удержания плазмы.
Ранее предлагались гибридные конструкции, объединяющие элементы токамаков и стеллараторов, например, сферический стелларатор и токастар. Такие конструкции имели недостатки. Стеллараторы не подходили для работы с токамаками.
Были предложены «квази-осесимметричные» стеллараторы (ортогонально симметричные относительно оси), но их сложная форма не сочеталась с тороидальной симметрией токамаков.
В новом исследовании авторы предлагают несимметричную форму, которая удерживает стабильность плазмы без изменения её общего объема. Слегка изогнутые катушки стелларатора наматываются вокруг центральной оси токамака, что и дало название «банановым катушкам». Для достижения этого требуется добавить лишь одну простую катушку стелларатора к стандартному набору катушек токамака. Это позволит создать компактное магнитное поле, сохранить объем плазмы и способствовать её переносу.
«Это необычное расположение, скорее всего, ключ для достижения равновесия между токоймаком и стелларатором, а также основа нашей гибридной концепции, объединяющей токмак и стелларатор. «, — объясняют исследователи в своей статье.
Важно подчеркнуть, что это пока лишь концептуальный проект, и его воплощение может быть затруднено рядом сложностей. Исследователи также указывают на невозможность компьютерного моделирования полностью гарантировать стабильность гибридной системы. Тем не менее, сходство с токамаками может дать возможность модернизировать их и повысить эффективность.