• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
28 февраля
ФизТех
4 552

Ученые измерили боковые силы, препятствующие продвижению термоядерного зажигания в реакторе-токамаке

4.5

Международный коллектив ученых, куда вошли специалисты МФТИ, объединенный целью понять природу боковых сил, действующих на стенку вакуумной камеры при срывах плазмы в токамаке, оценил величины этих сил в трех разных моделях и провел экспериментальное исследование.

Изображение геометрии экспериментальной установки токамака RFX-mod, включая вакуумную камеру (VV), пассивную стабилизирующую оболочку (PSS) и тороидальную опорную конструкцию (TSS) / © Nuclear Fusion

Работа опубликована в Nuclear Fusion. Истоки исследований в области плазменных срывов уходят в эпоху эксперимента JET, где впервые было замечено, что боковые силы могут достигать больших амплитуд и приводить к горизонтальному смещению тора токамака. Эти силы связывали с асимметричными магнитными возмущениями, порожденными плазменными деформациями, нарушающими симметрию конструкции. Первые модели описывали плазму как жесткое токонесущее кольцо, что позволяло оценивать силы по классическим формулам, однако эксперименты показывали, что эти модели дают неверное значение силы.

За последние десятилетия ученые предлагали различные теоретические подходы для объяснения наблюдаемых явлений. Совсем недавно появилась новая модель, предложенная Пустовитовым и его учеником Мироновым — в ту пору студентом МФТИ, которая основывается на принципе отсутствия интегральной электромагнитной силы, действующей непосредственно на плазму. Этот принцип позволяет установить жесткое ограничение на допустимые моды деформаций, тем самым предлагая более сдержанную оценку боковой силы. Однако в токамаке также присутствует целый комплекс проводящих структур, что делает задачу оценки силы особенно сложной.

В недавнем исследовании группа ученых под эгидой международного консорциума провела уникальный эксперимент, целью которого стало изучение боковых сил, возникающих во время срывов плазмы и действующих на стенку вакуумной камеры. В эксперименте физики исследовали динамику плазменного разряда. Главной задачей стало измерение и анализ боковой (горизонтальной) силы, возникающей в результате асимметричных магнитных возмущений, а также сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями различных моделей.

Уникальный эксперимент был проведен в Италии международным коллективом с участием российской команды ученых, который работает под эгидой международного проекта ИТЭР.

В работе рассмотрены три случая: VV, TSS и PSS. Случай VV означает оценку боковой (горизонтальной) силы, которая рассчитывается, если учитывать только резистивный вакуумный сосуд (VV) как проводящую структуру. То есть при этом подходе влияние других элементов (например, пассивной стабилизирующей оболочки — PSS, и тороидальной опорной структуры — TSS) не учитывается. Параметры VV (его геометрия, материал, время стенки и электрическое сопротивление) используются для определения вкладов в боковую силу, возникающую при плазменном срыве, исходя из измерений магнитного поля вне сосуда.

Сила в случае TSS означает оценку боковой (горизонтальной) силы, если при расчетах учитывать только резистивную тороидальную опорную конструкцию (TSS) как единственную проводящую стенку. То есть при таком подходе параметры TSS (его материал, геометрия, время стенки и электропроводность) используются для вычисления силы, действующей на эту конструкцию, без учета влияния других структур (как VV или PSS). Однако важно отметить, что в анализе TSS часто игнорируется, поскольку его вклад считается экранированным более эффективной пассивной стабилизирующей оболочкой (PSS).

Сила в случае PSS — это оценка боковой (горизонтальной) силы, рассчитанной при условии, что в качестве проводящей структуры учитывается только пассивная стабилизирующая оболочка (PSS).

Исследователи стремились сравнить величину боковой силы, вычисляемой с помощью магнитных измерений, с прогнозами трех различных моделей. Это модель Миронова–Пустовитова, в которой отсутствует интегральная электромагнитная сила, а боковая сила связана с гармониками изгиба, модель Риккардо–Уокера–Нолла, в которой плазма представляет из себя токонесущее кольцо, и модель Захарова, в которой как источник силы оценивается усредненное тороидальное магнитное поле.

Интегральная боковая сила на стенке рассчитывалась с помощью поверхностного интеграла по всей тороидальной поверхности сосуда. Этот метод позволяет получать «эталонное» значение силы, к которому сравнивались результаты, полученные по теоретическим моделям.

Оказалось, что в фазе разряда амплитуда радиальной компоненты магнитного поля возрастала экспоненциально, что свидетельствует о росте боковой силы. Во время фазы спада наблюдалось резкое уменьшение амплитуды мод изгиба при переходе плазмы к более стабильному состоянию.

Было проведено сравнение моделей. Оказалось, что модель Риккардо–Уокера–Нолла переоценивает боковую силу примерно в 20 раз по сравнению с эталонными данными. Модель Захарова дает оценку, превышающую экспериментальные данные примерно в 3 раза, а ее прогноз часто имеет противоположный знак при переходе к стабильному состоянию. Модель Миронова–Пустовитова систематически недооценивала силу примерно в три раза, однако ее изменение во времени качественно совпадало с экспериментом, что указывает на то, что она лучшая из трех моделей.

Результаты демонстрируют, что традиционные модели, не учитывающие сложную геометрию и взаимодействие нескольких проводящих структур (вакуумного сосуда, PSS и TSS), не способны точно описать наблюдаемую боковую силу.

«Наш эксперимент подтверждает, что боковая сила, возникающая при плазменных срывах, значительно отличается от предсказаний классических моделей. Это свидетельствует о необходимости учитывать не только динамику отдельной моды перегиба, но и взаимодействие нескольких проводящих структур, окружающих плазму. Мы уверены, что дальнейшее исследование этих явлений позволит улучшить стабильность плазменных разрядов и приблизит нас к успешной реализации термоядерного синтеза. Учет сложного взаимодействия нескольких проводящих стенок (резистивный вакуумный сосуд, пассивная стабилизирующая оболочка и тороидальная опорная конструкция) является ключевым фактором для корректного расчета боковой силы в реальных установках», — подчеркнул Владимир Пустовитов, научный сотрудник кафедры физики и химии плазмы МФТИ. 

Результаты исследования имеют большое значение для развития технологий управления плазмой в термоядерных реакторах. Понимание механизмов формирования боковых сил поможет разработать новые системы активной стабилизации плазмы, способные корректировать смещения и предотвращать нежелательные срывы. Использование магнитных сенсоров для прямого измерения боковой силы демонстрирует потенциал таких методик для широкого применения в экспериментах по физике плазмы, позволяя получать более точные данные без необходимости в механических датчиках.

Чтобы снизить расхождение между опытом и теоретическими оценками боковой силы, исследователям предстоит разработать более сложные модифицированные модели, способные учитывать взаимодействие нескольких проводящих структур и влияние гало-токов. Будущие эксперименты могут быть направлены на более детальное изучение временной эволюции мод перегиба и их влияния на смещение плазмы, что поможет лучше понять нелинейные эффекты в динамике разряда. Совмещение магнитных измерений с другими методами диагностики (например, оптическими и рентгеновскими) может дать более полное представление о процессах, происходящих в плазме, и обеспечить создание интегрированных систем контроля.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 09:17
Любовь

Примерно 41-42 тысячи лет назад на Земле произошел кратковременный сдвиг магнитных полюсов, который мог способствовать вымиранию неандертальцев, но не Homo sapiens — их выживание авторы нового исследования связали с появлением теплой одежды и добычей охры.

Позавчера, 14:59
Илья

Бонобо в два раза чаще отказывались участвовать в эксперименте, если получали менее ценную награду, чем сородич. Такая реакция не была связана с разочарованием в человеке — приматы показали врожденное неприятие несправедливости.

Вчера, 07:55
Игорь Байдов

В 2006 году исследователи из Великобритании объявили, что легендарный антикитерский механизм, древнегреческий «компьютер», мог быть всего лишь игрушкой для демонстрации астрономических явлений. Авторы нового исследования подтвердили это, построив математическую модель на основе данных своих коллег, которая показала, что шестерни устройства заклинивало при запуске. Но несмотря на полученные результаты, ученые пытаются спасти репутацию древнего чуда техники, обвинив предыдущую команду в ряде ошибок.

16 апреля
Андрей

Многие знают, как популярны сувениры из окаменелостей — зубы древних акул или полированные панцири аммонитов. Но чем реже встречаются такие артефакты, тем они ценнее, то есть на них можно много заработать. И это проблема для палеонтологов. Американский специалист по тираннозаврам оценил ущерб, который нанесла коммерческая добыча костей T. rex и подсчитал среднюю цену таких образцов. Оказалось, больше половины найденных тирексов находится в частных руках, а значит, для науки они недоступны или ненадежны.

Позавчера, 14:59
Илья

Бонобо в два раза чаще отказывались участвовать в эксперименте, если получали менее ценную награду, чем сородич. Такая реакция не была связана с разочарованием в человеке — приматы показали врожденное неприятие несправедливости.

Позавчера, 12:03
Березин Александр

Субнептун K2-18b в 124 световых годах от Земли показал наличие диметилсульфида и диметилдисульфида в атмосфере. На нашей планете их вырабатывают только водоросли, то есть это признаки жизни. Но ситуация на K2-18b такова, что вообще непонятно, как там могли бы выжить организмы такой сложности.

8 апреля
Березин Александр

До 13 тысяч лет назад в Северной Америке жил вид, который ученые до недавнего времени считали волком. Компания Colossal Biosciences объявила о возрождении этого вымершего вида, но биологические детали ставят ее заявление под серьезное сомнение.

2 апреля
Березин Александр

Известный американский отраслевой обозреватель Эрик Бергер взял интервью у экипажа космического корабля Boeing, из-за технических проблем которого два астронавта задержались на орбите на девять месяцев вместо одной недели. Детали, которые они озвучили, указывают на серьезные проблемы Starliner, о которых ранее умалчивали. Люди провели немало времени при глубоко нештатной температуре. При слегка другом сценарии миссии экипаж корабля мог погибнуть. Официальные заявления NASA и Boeing сразу после июньского полета к МКС, судя по интервью, были заведомо неправдивыми.

9 апреля
Unitsky String Technologies Inc.

Инженеры компании Unitsky String Technologies Inc. разработали несколько вариантов транспортно-инфраструктурных комплексов, способных значительно улучшить пассажирское сообщение в городах, расположенных по обеим берегам крупных водных артерий. Обычно такие мегаполисы сталкиваются с необходимостью строительства дорогих капитальных сооружений — шоссейных мостов, что не всегда подъемно для городского бюджета. Решение белорусских инженеров куда менее ресурсоемкое. Для примера возьмем Ростов-на-Дону, где есть запрос на устойчивое сообщение между левобережной частью города с историческим центром.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно