Физики смоделировали запуск токамаков без использования соленоида

Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Департамента энергетики США провели самосогласованное компьютерное моделирование, которое позволяют отразить эволюцию электрического тока внутри термоядерной плазмы без использования центрирующего электромагнита, или соленоида. Моделирование процесса, известного как неиндуктивный разгон тока, было выполнено с использованием TRANSP - кода, разработанного в PPPL.

В традиционных токамаках тороидальной формы большой соленоид охватывает центральную камеру реактора. Изменение электрического тока в соленоиде индуцирует ток в плазме. Этот ток течет в плазме и создает второе магнитное поле, которое совместно с полем соленоида ограничивает плазму.

Но сферические токамаки, компактная разновидность термоядерного реактора, в котором достигается высокое давление плазмы при относительно низких магнитных полях, имеют мало места для соленоидов. Сферические токамаки выглядят как полые яблоки и имеют меньшее центральное отверстие для соленоида, чем обычные токамаки. Физики таким образом пытаются найти альтернативные способы получения тока, который запускает плазму и генерирует дополнительное магнитное поле в сферических токамаках.

Один из таких методов известен как коаксиальная спиральная инжекция (CHI). Во время CHI исследователи включают электрическую катушку, которая проходит под токамаком. Над этой катушкой есть зазор, который открывается в вакуумную камеру токамака и окружает пол токамака. Включаемый электрический ток создает магнитное поле, которое соединяет металлические пластины по обе стороны от зазора.
Исследователи вдувают газ через зазор и генерируют электрический разряд через две пластины. Этот вызывает магнитное переподключение – процесс, посредством которого магнитные поля разрываются и повторно соединяются. Это повторное соединение создает магнитный пузырь, который заполняет токамак и генерирует необходимый электрический ток, который запускает плазму и создает дополнительное магнитное поле.

Этот ток необходимо поддерживать. По словам ведущего автора Франчески Поли (Francesca Poli), новые компьютерные модели показывают, что ток лучше всего может быть устойчивым при инжекции радиочастотных волн высоких гармоник (HHFWs) и пучков нейтральных атомов в плазму.

HHFW являются радиочастотными волнами, которые могут нагревать как электроны, так и ионы. Нейтральные пучки, которые состоят из потоков атомов водорода, заряжаются, когда они входят в плазму, и взаимодействуют с ионами. Сочетание HHFWs и нейтральных пучков увеличивает ток от 300 кА до 1 МА.

Но ни HHFW, ни нейтральные пучки не могут быть использованы в начале процесса, когда плазма относительно холодная и не очень плотная. Поли обнаружила, что HHFWs будут более эффективными, если плазму сначала нагреть электронно-циклотронным излучением, которое передает энергию электронам, вращающимся вокруг силовых линий магнитного поля.

«При отсутствии электронно-циклотронного излучения вам придется накачивать HHFW мощностью 4 МВт для создания тока силой 400 кА, - сказала она. - С помощью же этих волн вы можете получить ту же величину тока путем закачки только 1 МВт мощности. Все это очень важно, потому что трудно управлять плазмой при запуске».