Спиральность магнитного поля в плазме может стать ключом к дешёвой термоядерной энергии

Как отмечает Томас Джарбо из Вашингтонского университета (США), принцип, на котором основаны токамаки и строящийся во Франции ITER, работает: токамаки и в самом деле могут заставлять атомы сливаться, выделяя при этом энергию. «Да, метод работает, — поясняет учёный, — но он очень неэффективен. По сути, это создаёт большую проблему с магнитным удержанием плазмы».

Нельзя сказать, чтобы об этом не говорили: современный управляемый термоядерный синтез похож на забивание гвоздей микроскопом. Все были бы рады вгонять их молотками, но таких молотков пока не изобрели, поэтому энергии на поддержание управляемого синтеза расходуется больше, чем удаётся получить.

Экспериментальная установка Вашингтонского университета. Она действительно невелика; обычно устройства удержания плазмы не столь компактны. (Здесь и ниже иллюстрации T. Jarboe / Univ. of Washington.)

Вот уже два десятилетия г-н Джарбо работает над альтернативной концепцией удержания плазмы при термоядерном синтезе — спиральном впрыскивании. Подход основан на спиральности магнитного поля в плазме, находящейся внутри устройства впрыска (например, типа сферомака). Спирали в плазме создают асимметричные токи, генерирующие нужные электрические и магнитные поля, кои, с одной стороны, нагревают, а с другой — удерживают (без внешнего магнитного поля) содержимое спиральных рукавов. Проблема в том, что это, хотя и требует меньше энергии, создаёт нестабильность в удержании плазмы: заключённая в магнитную «бутылку» с нестабильными «стенками», из-за случайных колебаний она может перестать удерживаться, прервав реакцию слияния ядер.

В отличие от традиционного для сферомаков подхода, новый метод, реализуемый группой Томаса Джарбо, использует асимметричное поле, так что плазма не должна быть нестабильной, чтобы создавать ток. «Мы показали, что в состоянии поддерживать стабильное равновесие и контролировать плазму, а это значит, что "бутылка" [магнитного поля] может удерживать больше плазмы», — комментирует последние успехи г-н Джарбо.

Удержание плазмы осуществляется посредством внутренних магнитных спиралевидных структур, образующихся в самой плазме.

Исследователи использовали то, что они называют наложенным динамо-токовым приводом. Устройство имеет две катушки для переменного генерирования тока на каждой из сторон центрального ядра аппарата. Постоянное применение изменяющегося направления возникновения тока снимает проблему поддержания стабильности. Но полному использованию потенциала нового метода удержания плазмы препятствует то, что установка, созданная в Вашингтонском университете, попросту мала, поэтому часть плазмы вынуждена выбрасываться в виде газа. Для демонстрации энергоэффективности метода это годится, а чтобы поддерживать сколько-нибудь масштабный термоядерный синтез, в ближайшем будущем физики скомбинируют устройство с более крупным реактором.

Соответствующее исследование было представлено на 24-й ежегодной Конференции по термоядерной энергии, проводившейся Международной ассоциацией атомной энергии 8–11 октября в Сан-Диего (США).

Подготовлено по материалам Вашингтонского университета.