В области магнитного удержания достигнуты научные успехи, способные ускорить разработку термоядерной энергетики благодаря эффективному и точному ловушке высокоэнергетических частиц в реакторах.
Новая конструкция основана на теоретическом подходе, предлагающем перспективное решение для одной из главных задач термоядерной энергетики – предотвращения утечки частиц из реакторных камер, которые расходуют энергию.
Открытие, финансируемое Министерством энергетики США, сделали ученые из Техасского университета в Остине, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и компании Type One Energy Group. Ученые заявляют, что их метод позволяет эффективнее проектировать непроницаемые магнитные поля для термоядерных реакторов, особенно стеллараторов, в 10 раз быстрее, чем традиционные методы.
Новый метод может обеспечить необходимые результаты, не теряя точности, важной для функционирования высокоэнергетических реакторов.
Магнитное удерживание в термоядерных реакторах
Термоядерные исследования сталкивались с проблемой контроля высокоэнергетических альфа-частиц в магнитных полях реакторов. В экстремальных условиях реакторного процесса частицы могут просачиваться наружу, охлаждая плазму и препятствуя термоядерному синтезу.
Поскольку эти частицы играют важную роль в поддержании экстремального тепла и плотности, необходимых для устойчивых термоядерных реакций, инженеры раньше использовали сложные системы с магнитным удержанием для их улавливания. Но выявление и устранение недостатков в магнитных полях требует больших вычислительных ресурсов и времени.
«Интересно, что мы решаем проблему, существовавшую около семи десятков лет. « ,» — утверждает Джош Берби, профессор физики в университете штата Техас и ведущий автор новой работы. Текст о работе команды.
Берби считает новое творение прорывом в проектировании реакторов.
Стеллараторы в центре внимания
Главным объектом изучения команды выступают стеллараторы — термоядерные реакторы с тороидальной формой, где сложные внешние обмотки регулируют магнитные поля внутри устройства. Разработанные в 1950-х годах катушки этих устройств формируют «магнитную бутылку», предназначенную для удерживания плазмы и высокоэнергетических частиц.
В прошлом инженеры использовали законы движения Ньютона для определения траекторий частиц и поиска утечек. Это требовало высокой точности, но больших вычислительных затрат. При проектировании стелларатора может потребоваться моделирование сотен или тысяч вариантов для гарантии устранения утечек, что очень быстро становится невыполнимой задачей.
Для упрощения процесса учёные часто применяют менее точный метод – теорию возмущений. Метод позволяет определить приблизительные места вероятного образования утечек. Этот способ экономит время и силы, но часто уступает по точности, что может затруднить продвижение в разработке стеллараторов.
Новый метод, созданный Берби и соратниками, основанный на теории симметрии, обеспечивает необходимую скорость и точность для оптимальных термоядерных реакций.
«Нет практических способов найти теоретический ответ на вопрос об удержании альфа-частиц, пока не будут учтены наши результаты. Берби недавно высказался об успехах команды. Использование законов Ньютона напрямую требует больших затрат. ».
«Теория возмущений дает приближенные результаты с большой погрешностью. », — сказал Берби. «Наша теория является первой, способной преодолеть эти трудности. ».
Новый метод пригоден не только для стеллараторов, команда полагает, что он может быть полезен и для токамаков — ещё одного ведущего устройства магнитного термоядерного синтеза. В токамаках убегающие электроны часто повреждают стенки реакторов, если им удаётся вырваться.
Новый метод позволит исследователям более точно находить возможные места утечки электронов, что важно для повышения безопасности и работы реакторов.