Дизайн "магнитных бутылок" предлагает решение сложной задачи по термоядерному синтезу, над которой бились 70 лет
Изобилие дешёвой и чистой энергии — предполагаемый результат, если учёные и инженеры смогут успешно разработать надёжный метод получения и поддержания термоядерной энергии, — стал на шаг ближе к реальности, поскольку группа исследователей из Техасского университета в Остине, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Type One Energy Group решила давнюю проблему в этой области.
Одной из серьёзных проблем, сдерживающих развитие термоядерной энергетики, является способность удерживать высокоэнергетические частицы внутри термоядерных реакторов. Когда высокоэнергетические альфа-частицы утекают из реактора, это не позволяет плазме нагреваться и становиться достаточно плотной для поддержания термоядерной реакции. Чтобы предотвратить утечку, инженеры разрабатывают сложные системы магнитного удержания, но в магнитном поле часто возникают отверстия, и для прогнозирования их расположения и устранения требуется огромное количество вычислительных ресурсов. В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследовательская группа описывает, как они нашли способ, который поможет инженерам проектировать герметичные системы магнитного удержания в 10 раз быстрее, чем по стандартному методу, без ущерба для точности. Несмотря на то, что для всех проектов магнитного термоядерного синтеза остаётся ещё несколько серьёзных проблем, это достижение решает самую большую проблему, характерную для типа термоядерного реактора, впервые предложенного в 1950-х годах, — стелларатора.
Самое захватывающее то, что мы решаем проблему, которая оставалась нерешённой почти 70 лет. Это смена парадигмы в проектировании таких реакторов.
Джош Бёрби, доцент кафедры физики в Университете Техаса и первый автор статьи
В стеллараторе используются внешние катушки, по которым проходят электрические токи, создающие магнитные поля для удержания плазмы и частиц высокой энергии. Эту систему удержания часто называют "магнитной бутылкой". Существует способ определить, где находятся отверстия в магнитной бутылке, с помощью законов движения Ньютона, который очень точен, но требует огромного количества вычислительных ресурсов. Хуже того, чтобы спроектировать стелларатор, учёным, возможно, придётся смоделировать сотни или тысячи слегка отличающихся друг от друга конструкций, изменяя расположение магнитных катушек и повторяя процесс, чтобы устранить отверстия, — этот процесс потребует непомерно большого количества вычислений.
Таким образом, чтобы сэкономить время и деньги, учёные и инженеры обычно используют более простой метод определения местоположения отверстий с помощью подхода, называемого теорией возмущений. Но этот метод гораздо менее точен, что замедляет разработку стеллараторов. Новый метод основан на теории симметрии и ином подходе к пониманию системы.
В настоящее время не существует практического способа найти теоретический ответ на вопрос о локализации альфа-частиц без наших результатов. Прямое применение законов Ньютона слишком затратно. Методы возмущений приводят к грубым ошибкам. Наша теория — первая, которая позволяет избежать этих подводных камней.
Джош Бёрби, доцент кафедры физики в Университете Техаса и первый автор статьи
Этот новый метод также может помочь в решении похожей, но другой проблемы в другой популярной конструкции магнитного термоядерного реактора, называемой токамак. В этой конструкции существует проблема с убегающими электронами — высокоэнергетическими электронами, которые могут пробивать отверстия в окружающих стенках. Этот новый метод может помочь выявить отверстия в магнитном поле, через которые могут утекать эти электроны.
Обнаружены доказательства того, что каракатицы машут друг другу в знак приветствия.
Фото: University of Texas at Austin