Новое устройство для контроля плазмы. Ученые, стремящиеся захватить и контролировать энергию термоядерного синтеза Земли, процесс, который питает солнце и звезды, сталкиваются с риском сбоев – внезапных событий, которые могут остановить реакции синтеза и повредить объекты, называемые токамаксами, в которых они находятся. Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и Университета Вашингтона разработали новый прототип для быстрого контроля нарушений, прежде чем они смогут достичь полного эффекта.

Прототип EPI в центре слева от изображения. Фото: Роджер Раман.

Устройство, называемое «инжектор электромагнитных частиц» (EPI), представляет собой тип рельсового пистолета, который выпускает высокоскоростной снаряд из пары электрифицированных рельсов в плазму на грани разрушения. Снаряд, называемый «сабо», высвобождает полезный груз материала в центр плазмы, который излучает или распространяет энергию, запасенную в плазме, уменьшая ее воздействие на внутреннюю часть токамака.

Глубоко проникающие полезные нагрузки

Этот процесс может оказаться более быстрым и может позволить полезным нагрузкам проникать в плазму более глубоко, чем самые современные методы, разработанные сегодня. Современные системы выпускают сжатый газ или газо-раздробленные гранулы, используя газовый клапан, в плазму, но со скоростью, ограниченной массой частиц газа. «Основным преимуществом концепции EPI над газовыми системами является ее способность соответствовать временным рамкам коротких предупреждений», – сказал Роджер Раман, физик из Вашингтонского университета, который долгое время работал в PPPL и является ведущим автором статьи о ядерномсинтезе, которая описывает новую систему.

Риск сбоев особенно велик для ИТЭР, крупного международного токамака, строящегося во Франции, чтобы продемонстрировать возможность использования термоядерной энергии. Плотные, мощные разряды плазмы ИТЭР, состояние вещества, которое питает реакции синтеза, затруднят для современных газовых методов смягчения проникновение достаточно глубоко в высокоэнергетическую плазму ИТЭР, чтобы получить хороший эффект.

В ITER смягчение требуется менее чем за 20 миллисекунд или тысяч секунд с момента предупреждения о сбое, причем идеальными являются 10 миллисекунд. Испытания прототипа EPI показывают, что он может доставить полезную нагрузку частиц правильного размера менее чем за 10 миллисекунд, по сравнению с 30 миллисекундами для газоходных систем.

Прототип, построенный в Вашингтонском университете, возвращается к системе заправки термоядерного реактора, над которой Раман работал много лет назад. Эта система впрыскивала плазмоиды, футбольную плазму со своими собственными магнитными полями, которые впрыскивались в термоядерную плазму с высокой скоростью. Раман адаптировал некоторые функции системы, чтобы позволить вводить гораздо большую массу в более простой конфигурации, что потребуется для длительного режима ожидания, для разработки EPI.

Электропроводящие рельсы

Прототип размещает саботаж между двумя электропроводящими рельсами, расположенными на расстоянии 2-3 см друг от друга и соединенными с конденсаторной батареей, которая содержит электрический заряд. Разрядка банка создает электромагнитные силы, которые ускоряют саботаж, позволяя освободить полезную нагрузку всего за 2 миллисекунды. Материал, состоящий из гранул или гранул из легкого металла, будет излучать энергию разрушения от центра плазмы к краю, распространяя энергию и ослабляя ее воздействие на стенки токамака.

Дальнейшее развитие системы EPI было предложено провести в PPPL. Планы предусматривают создание прототипов второго и третьего поколений со все более сильными магнитными полями в течение трехлетнего периода с последующим размещением на токамаке в четвертый год. До сих пор результаты, как сообщается в Nuclear Fusion, дают определенную степень уверенности в том, что эффективная система EPI может быть разработана для смягчения серьезных сбоев в ИТЭР.

По материалам phys.org