Сотрудники Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ разработали и испытали экспериментальный комплекс для измерения магнитных полей в перспективных термоядерных реакторах — сферических токамаках. Разработка позволяет на макете выявить вредные «паразитные» поля, которые возникают из-за микроскопических неточностей сборки и искажают форму плазменного шнура.
Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (проект № 23-72-01037), опубликовано в авторитетном Bulletin of the Lebedev Physics Institute, популярное изложение исследования – в издании о высоких технологиях CNews.
В основе любого термоядерного реактора лежит магнитное поле. Оно, словно невидимая бутылка, удерживает раскаленную плазму, не давая ей соприкоснуться со стенками камеры. Чем сильнее поле, тем лучше удержание и выше мощность установки.
Однако классические конструкции катушек имеют изъян: малейший сдвиг провода при намотке или перекос при монтаже приводит к появлению вертикальных и радиальных паразитных полей. Эти искажения — главные враги плазменного шнура: они вызывают неустойчивости, «выбивают» частицы из ловушки и в итоге гасят термоядерную реакцию.
Обычно все рассчитывают на компьютере, Но в реальности, особенно для перспективной схемы сплошного тороидального соленоида, когда витки плавно переходят один в другой на внутреннем радиусе, появляются нюансы. Их невозможно предсказать только расчетами - нужно мерить.
Уменьшенная копия будущего реактора
Чтобы изучить проблему, физики построили масштабный образец — 1:3 от создаваемого в МИФИ токамака МИФИСТ-1 (MEPhIST-1). Это аккуратное кольцо (тор), напечатанное на 3D-принтере, с проточенными канавками, в которые уложен медный провод. Конструкция сделана разборной: исследователи могут менять конфигурацию, устанавливать измерительные модули в разных полоидальных (поперечных) сечениях и смотреть, как растет паразитное поле при изменении угла намотки.
На этом макете, как на полигоне, возможно замерять поле в четырех разных точках по окружности тора, при этом кассета с датчиками в сечении φ=0 вынимается без разбора всей конструкции. Это даёт гибкость, которой нет у коллег, работающих на полноразмерных установках.
Умная плата вместо громоздких приборов
Для измерения полей ученые спроектировали специальную печатную плату. На ней — матрица из 36 трехкомпонентных цифровых датчиков Холла (4 по горизонтали, 9 по вертикали), а также собственные микроконтроллеры. Система автономна: она синхронно опрашивает все датчики с частотой 1000 раз в секунду и записывает данные во встроенную память.
Главная инженерная задача, которую решили мифисты, — как на фоне огромного тороидального поля (главного магнитного кольца) разглядеть крошечные паразитные составляющие. Это всё равно что услышать писк комара во время рок-концерта.
Чувствительность каждого датчика — менее 0,3 миллитесла. При токе 180 ампер были едва видны паразитные поля — они тонули в шумах. Но когда экпериментаторы подняли ток до 1200 ампер, картина стала ясной. Основная паразитная составляющая — вертикальное поле, что совпадает с теорией.
Результат: теорию придется уточнить
Эксперименты показали, что, хотя форма основного тороидального поля блестяще совпадает с компьютерной моделью, отношение величины паразитных полей к основному оказалось в несколько раз выше предсказанного. Это означает, что даже идеальный на первый взгляд проект натыкается на реальность: подводящие провода, микроскопические перекосы витков и наклоны датчиков вносят свою лепту.
«Самое интересное началось сейчас. Ученые получили не просто калибровку, а инструмент, который позволяет "щупать" поле в каждой точке. Обнаруженное расхождение с расчетами — не провал, а ценные данные. Теперь физики знают, где кроются неучтенные факторы, и могут скорректировать конструкцию будущего реактора», — отмечают в МИФИ.
Полученный метод представляет собой мост между чистым расчетом и реальной машиной. Он поможет ответить на главный вопрос: где тот предел неточности, который губит плазму, и как построить катушку, чтобы этого избежать.