Ядерный синтез: новая концепция гибридного реактора для повышения производительности

Исследователи предлагают новую концепцию реактора ядерного синтеза, объединяющую токамак и стелларатор. В частности, такая комбинация позволит преодолеть проблемы стабильности, связанные с обычными токамаками, и недостатки мощности, связанные со стеллараторами, что повысит производительность реактора. Внешне новая конструкция похожа на обычные токамаки, но в ее центре расположены витые электромагнитные петли, известные как «банановые катушки».

Для выработки энергии в реакторах ядерного синтеза используются мощные магнитные поля, удерживающие плазму при очень высоких температурах в чрезвычайно малом пространстве. Для этого токамаки окружены электромагнитными катушками. Имея форму пончика (или тора), эти реакторы могут вмещать большое количество плазмы. Однако токамаки полагаются на электрические токи, нагнетаемые из плазмы для создания магнитного поля, что может привести к нестабильности, которая может повредить реактор и помешать процессу синтеза.

Стеллараторы, с другой стороны, представляют собой модульные реакторы, в которых используется ряд витых катушек, намотанных вокруг тора. Таким образом, плазма удерживается спиральным магнитным полем, создаваемым сложным расположением катушек. Однако такие конструкции не только сложны в строительстве, но и могут вмещать лишь относительно небольшой объем плазмы по сравнению с токамаками.

Чтобы преодолеть эти недостатки, исследователи из Института физики плазмы имени Макса Планка в Грайфсвальде (Германия) предлагают объединить две концепции и использовать лучшее из каждой. Такая комбинация позволит использовать катушки, которые легко спроектировать, и при этом использовать большие объемы плазмы без проблем с нестабильностью, характерных для обычных токамаков. Таким образом, новая концепция, описанная в журнале Physical Review Research, будет более эффективной и стабильной. Более того, она требует меньше энергии, чем стандартные реакторы.

Схема гибридного реактора, на которой показана плазменная граница (голубой), охватывающая четыре идентичные «банановые» катушки (красная, зеленая, синяя и фиолетовая), расположенные внутри тороидальных катушек поля (серые).

Большая стабильность при большем объеме плазмы

Новая концепция, предложенная командой в новом исследовании, представляет собой токамак с закрученными петлями в центре, более или менее похожими на те, что встречаются в стеллараторах. Известные как «банановые катушки», эти петли создадут достаточное кручение в магнитных полях, чтобы преодолеть нестабильности плазмы, присущие токамакам.

Согласно компьютерному моделированию исследователей, знаменитые «банановые катушки» также позволят преодолеть одну из главных трудностей токамаков, а именно необходимость вводить электрический ток в плазму для ее удержания. Отказ от использования электрического тока означает, что устройство экономит энергию, используя при этом объем плазмы, эквивалентный обычным токамакам.

Обзор результатов по сборке гибридной катушки.

Ранее были предложены гибридные конструкции токамаков-стеллараторов, такие, как сферический стелларатор и токастар. Однако эти конструкции имели свои недостатки. В частности, стеллараторы не были достаточно приспособлены для работы с токамаками. Для решения этой проблемы были предложены так называемые «квази-осесимметричные» стеллараторы (ортогонально симметричные относительно оси), но их очень сложная форма не совместима с тороидальной (кольцевой) симметрией токамаков.

Со своей стороны, исследователи в новом исследовании предлагают неосесимметричную форму, которая сохраняет стабильность плазмы, не нарушая ее общего объема. Слегка изогнутые катушки стелларатора наматываются вокруг центральной оси токамака, отсюда и название «банановые катушки». Другими словами, по сравнению с типичным набором катушек токамака, необходимо добавить только одну простую катушку стелларатора. Это приведет к созданию компактного магнитного поля, сохранит объем плазмы и будет способствовать ее переносу.

«Такое странное расположение, похоже, является ключом к достижению баланса между токамика и стелларатором и лежит в основе нашей идеи гибрида токамака и стелларатора«, — объясняют исследователи в своей статье.

Однако важно отметить, что на данный момент это лишь концептуальное предложение, и его разработка может быть сопряжена с множеством трудностей. Исследователи также отмечают, что компьютерное моделирование не может на 100% предсказать, будет ли гибридная система достаточно стабильной. Тем не менее сходство с токамаками может позволить переоборудовать токамаки и улучшить их характеристики.