Физики НИЯУ МИФИ исследуют магнитное поле термоядерного реактора.

Сотрудники Национального исследовательского ядерного университета МИФИ разработали и протестировали экспериментальную установку для измерения магнитных полей в перспективных термоядерных реакторах типа сферических токамаков. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (проект № 23-72-01037), опубликовано в авторитетном журнале Bulletin of the Lebedev Physics Institute. Эта разработка позволяет на макете выявлять вредные «паразитные» поля, возникающие из-за микроскопических неточностей сборки и искажающие форму плазменного шнура. Об этом сообщили представители МИФИ в интервью CNews.

В основе любого термоядерного реактора лежит магнитное поле, которое, как невидимая бутылка, удерживает горячую плазму, не позволяя ей соприкасаться со стенками камеры. Чем сильнее это поле, тем лучше удержание плазмы и выше мощность установки. Однако классические конструкции катушек имеют недостаток: малейший сдвиг провода при намотке или перекос при монтаже может привести к появлению вертикальных и радиальных паразитных полей. Эти искажения являются главными врагами плазменного шнура, так как вызывают неустойчивости, «выбивают» частицы из ловушки и в конечном итоге гасят термоядерную реакцию. Обычно все рассчитывается на компьютере, но в реальности, особенно для перспективной схемы сплошного тороидального соленоида, когда витки плавно переходят один в другой на внутреннем радиусе, появляются нюансы, которые невозможно предсказать только расчетами — необходимо проводить измерения.

Чтобы изучить эту 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, что позволяет исследователям менять конфигурацию, устанавливать измерительные модули в разных полоидальных (поперечных) сечениях и наблюдать, как изменяется паразитное поле при изменении угла намотки. На этом макете можно замерять поле в четырех разных точках по окружности тора, при этом кассета с датчиками в сечении φ=0 вынимается без разбора всей конструкции, что дает гибкость, которой нет у коллег, работающих на полноразмерных установках.

Для измерения полей ученые спроектировали специальную печатную плату, на которой размещена матрица из 36 трехкомпонентных цифровых датчиков Холла (4 по горизонтали, 9 по вертикали), а также собственные микроконтроллеры. Система автономна и синхронно опрашивает все датчики с частотой 1 тыс. раз в секунду, записывая данные во встроенную память. Главная инженерная задача, которую решили мифисты, заключалась в том, чтобы на фоне огромного тороидального поля (главного магнитного кольца) разглядеть крошечные паразитные составляющие. Чувствительность каждого датчика составляет менее 0,3 миллитесла. При токе 180 ампер паразитные поля едва различимы из-за шумов, но при увеличении тока до 1200 ампер картина стала ясной. Основная паразитная составляющая — вертикальное поле, что совпадает с теорией.

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 сталкивается с реальностью: подводящие провода, микроскопические перекосы витков и наклоны датчиков вносят свою лепту. Ученые получили не просто калибровку, а инструмент, который позволяет «щупать» поле в каждой точке. Обнаруженное расхождение с расчетами — это не провал, а ценные данные. Теперь физики знают, где кроются неучтенные факторы, и могут скорректировать конструкцию будущего реактора. Полученный метод представляет собой мост между чистым расчетом и реальной машиной, помогая ответить на главный вопрос: где тот предел неточности, который губит плазму, и как построить катушку, чтобы этого избежать.

Источник