Ученые оценили боковые силы, которые мешают процессу термоядерного зажигания в токамаке.

Исследование опубликовано в Nuclear Fusion. Корни изучения плазменных срывов уходят в эпоху эксперимента JET, когда впервые было замечено, что боковые силы могут достигать значительных амплитуд и вызывать горизонтальное смещение токамака. Эти силы связывались с асимметричными магнитными возмущениями, возникающими из-за деформаций плазмы, нарушающих симметрию конструкции. Первоначальные модели описывали плазму как жесткое токонесущее кольцо, что позволяло оценивать силы по классическим формулам, однако эксперименты показывали, что данные модели дают неверные значения силы.

На протяжении последних десятилетий ученые предлагали различные теоретические подходы для объяснения наблюдаемых явлений. Совсем недавно была представлена новая модель, предложенная Пустовитовым и его учеником Мироновым — тогда студентом МФТИ, которая основывается на принципе отсутствия интегральной электромагнитной силы, непосредственно действующей на плазму. Этот принцип позволяет установить строгие ограничения на допустимые моды деформаций, предлагая более сдержанную оценку боковой силы. Однако в токамаке также присутствует множество проводящих структур, что усложняет задачу оценки силы.

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

Уникальный эксперимент был осуществлён в Италии международным коллективом, в состав которого вошла российская команда ученых, работающая в рамках международного проекта ИТЭР.

В работе рассматриваются три случая: VV, TSS и PSS. Случай VV подразумевает оценку боковой (горизонтальной) силы, рассчитываемой с учетом только резистивного вакуумного сосуда (VV) как проводящей структуры. 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, на основе измерений магнитного поля вне сосуда.

Сила в случае TSS обозначает оценку боковой (горизонтальной) силы, если в расчетах учитывается только резистивная тороидальная опорная конструкция (TSS) как единственная проводящая стенка. То есть в этом подходе параметры TSS (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 сопоставить величину боковой силы, вычисляемой на основе 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 представлена как токонесущее кольцо, и модель Захарова, где в качестве источника силы оценивается усредненное тороидальное магнитное поле.

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

Выяснилось, 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 является лучшей 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 подчеркивает необходимость 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 правильного расчета боковой силы в реальных установках», — отметил 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.

Для уменьшения расхождения между экспериментальными 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 воздействия 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.