Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) готовятся совершить прорыв в области управляемого термоядерного синтеза с помощью новаторской концепции стелларатора MUSE . В отличие от традиционных дорогостоящих проектов, требующих использования экзотических сверхпроводящих сплавов для электромагнитов, MUSE воплощает кардинально иной подход.
Согласно теории, изложенной в статье 2020 года в Physical Review Letters под авторством Пера Хеландера из Института Макса Планка, применение постоянных магнитов может существенно упростить конструкцию катушек стелларатора. Эта идея и нашла отражение в дизайне MUSE.
Имея десятилетия опыта в области инженерии, вычислений и теоретической физики, ученые разработали сложную машину, которая с помощью извивающейся конструкции удерживает плазму, электрически заряженное четвертое состояние материи.
В MUSE используется ограниченное число идентичных тороидальных катушек, а вакуумная камера окружена 3D-печатными структурами, в которые встроены постоянные магниты. Эти магниты расположены по специальному рисунку, формирующему плазму внутри камеры. При этом не требуется энергоснабжение или (теоретически) система охлаждения, что радикально снижает стоимость установки.
"MUSE в основном собран из коммерчески доступных деталей," - отметил Майкл Зарнсторфф, ведущий исследователь-физик из PPPL. - "Сотрудничая с компаниями по 3D-печати и поставщиками магнитов, мы можем выбирать компоненты с необходимыми нам характеристиками, вместо того чтобы создавать их самостоятельно."
MUSE также в большей степени, чем любой предыдущий стелларатор, демонстрирует теоретическое свойство, известное как квазисимметрия. Заложенное физиком Алленом Бузером из PPPL в начале 1980-х, понятие квазисимметрии предполагает, что, хотя форма магнитного поля внутри стелларатора может отличаться от его физической формы, его интенсивность остаётся одинаковой во всех точках устройства, что способствует эффективному удержанию плазмы и увеличивает вероятность термоядерных реакций.
«Фактически, качество квазисимметрии MUSE в сто раз выше, чем у любого другого стелларатора», - отметил Зарнсторфф.
Однако концепция имеет свои ограничения. Как отмечает Пер Хеландер, постоянные магниты обладают ограниченной мощностью поля, неспособны к настройке и иногда размагничиваются при высоких температурах.
Тем не менее, в PPPL с нетерпением ждут начала реальных испытаний. Отсутствие охлаждаемого дивертора, конечно, наложит некоторые ограничения на эксперименты, но это не умаляет революционный характер проекта. Техника позволит исследователям тестировать новые концепции для будущих электростанций.
Команда PPPL также планирует провести серию экспериментов для точного определения характеристик квазисимметрии MUSE и понимания, насколько эффективно устройство предотвращает выход горячих частиц из ядра плазмы к её краям. Методы исследования будут включать детальное картирование магнитных полей и анализ замедления вращения плазмы, зависящего от квазисимметрии устройства.