Ученые совершили прорыв в области магнитного удержания, который может ускорить развитие термоядерной энергетики за счет более быстрых и точных способов улавливания высокоэнергетических частиц в термоядерных реакторах.
В основе новой конструкции лежит теоретический подход, который предлагает многообещающее решение одной из самых сложных проблем термоядерной энергетики: как предотвратить выход из реакторных камер частиц, истощающих энергию.
Это открытие, финансируемое Министерством энергетики США, было сделано учеными из Техасского университета в Остине, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и компании Type One Energy Group. Они заявляют, что их метод позволяет эффективнее проектировать непроницаемые магнитные поля для термоядерных реакторов, особенно стеллараторов, в 10 раз быстрее, чем традиционные методы.
Самое многообещающее, что новый метод позволяет достичь этого, сохраняя точность, необходимую для работы этих высокоэнергетических реакторов, что долгое время препятствовало прогрессу в подходах к магнитному удержанию в прошлом.
Исследования в области термоядерной энергетики долгое время сдерживались проблемой того, как удержать высокоэнергетические альфа-частицы в магнитных полях термоядерных реакторов. В экстремальных условиях, возникающих в реакторах, эти частицы могут иногда просачиваться наружу, что охлаждает плазму внутри реактора и ухудшает процесс термоядерного синтеза.
Поскольку эти частицы являются столь важным компонентом для поддержания экстремального тепла и плотности, необходимых для устойчивых термоядерных реакций, инженеры в прошлом полагались на сложные системы, использующие магнитное удержание для улавливания этих частиц. Однако выявление и устранение пробелов в магнитных полях требует значительных вычислительных мощностей, а также времени.
«Самое интересное, что мы решаем проблему, которая оставалась открытой почти 70 лет», — говорит Джош Берби, доцент физики в Техасского университета и первый автор нового исследования, в котором подробно описана работа команды. Берби назвал новую работу «сдвигом в парадигме того, как мы проектируем эти реакторы».
Ключевым направлением исследований команды являются стеллараторы — термоядерные реакторы, имеющие тороидальную (пончикообразную) конструкцию, в которых используются сложные внешние обмотки, управляющие создаваемыми внутри магнитными полями. Катушки этих устройств, впервые разработанных в 1950-х годах, создают так называемую «магнитную бутылку» для удержания плазмы и высокоэнергетических частиц.
В прошлом инженеры опирались на законы движения Ньютона для определения траекторий частиц и поиска утечек, что требует высокой точности, но больших вычислительных затрат. При проектировании стелларатора может потребоваться моделирование сотен или даже тысяч вариантов, чтобы гарантировать устранение утечек, и эта задача очень быстро становится невыполнимой.
Чтобы упростить процесс, ученые часто используют менее точный метод, известный как теория возмущений, который позволяет определить приблизительные места вероятного образования утечек. Этот короткий путь помогает сэкономить время и работу, но часто жертвует точностью, что может помешать прогрессу в разработке стеллараторов.
Новый метод, разработанный Берби и его соавторами и использующий теорию симметрии, обеспечивает и скорость, и точность, необходимую для оптимальных термоядерных реакций.
«В настоящее время нет практического способа найти теоретический ответ на вопрос об удержании альфа-частиц без наших результатов», — недавно заявил Берби о работе команды. «Прямое применение законов Ньютона слишком затратно». «Методы теории возмущений дают грубые ошибки», — сказал Берби. «Наша теория — первая, которая позволяет обойти эти подводные камни».
Новый метод может найти применение не только в стеллараторах, поскольку команда считает, что он может быть полезен и для токамаков — ещё одного из ведущих устройств магнитного термоядерного синтеза. В токамаках убегающие электроны нередко повреждают стенки реакторов, если им удаётся вырваться. Благодаря новому методу исследователи смогут точнее определять потенциальные точки утечки этих электронов, что может стать ценным инструментом для повышения безопасности и эффективности реакторов.