Вчені виміряли бічні сили, які заважають просуванню термоядерного запалювання в токамаку.

Робота опублікована в Nuclear Fusion. Джерела досліджень у галузі плазмових зривів ведуть своє походження з епохи експерименту JET, де вперше було помічено, що бічні сили можуть досягати великих амплітуд і призводити до горизонтального зсуву тора токамака. Ці сили пов'язували з асиметричними магнітними збуреннями, породженими плазмовими деформаціями, які порушують симетрію конструкції. Перші моделі описували плазму як жорстке токонесуче кільце, що дозволяло оцінювати сили за класичними формулами, однак експерименти показували, що ці моделі дають невірне значення сили.

За останні десятиліття вчені пропонували різні теоретичні підходи для пояснення спостережуваних явищ. Зовсім нещодавно з'явилася нова модель, запропонована Пустовітовим та його учнем Міроновим — на той час студентом МФТІ, яка базується на принципі відсутності інтегральної електромагнітної сили, що діє безпосередньо на плазму. Цей принцип дозволяє встановити жорстке обмеження на допустимі моди деформацій, тим самим пропонуючи більш стриману оцінку бічної сили. Однак у токамаку також присутній цілий комплекс провідних структур, що ускладнює задачу оцінки сили.

У недавньому дослідженні група вчених під егідою міжнародного консорціуму провела унікальний експеримент, метою якого стало вивчення бічних сил, що виникають під час зривів плазми та діють на стінку вакуумної камери. У експерименті фізики досліджували динаміку плазмового розряду. Головним завданням стало вимірювання та аналіз бічної (горизонтальної) сили, що виникає внаслідок асиметричних магнітних збурень, а також порівняння експериментальних результатів з теоретичними прогнозами різних моделей.

Унікальний експеримент був проведений в Італії міжнародним колективом за участю російської команди вчених, яка працює під егідою міжнародного проекту ІТЕР.

У роботі розглянуто три випадки: VV, TSS і PSS. Випадок VV означає оцінку бічної (горизонтальної) сили, яка розраховується, якщо враховувати тільки резистивний вакуумний посуд (VV) як провідну структуру. Тобто при цьому підході вплив інших елементів (наприклад, пасивної стабілізуючої оболонки — PSS, і тороїдальної опорної структури — TSS) не враховується. Параметри VV (його геометрія, матеріал, час стінки та електричний опір) використовуються для визначення внесків у бічну силу, що виникає при плазмовому зриві, виходячи з вимірювань магнітного поля поза посудом.

Сила у випадку TSS означає оцінку бічної (горизонтальної) сили, якщо при розрахунках враховувати тільки резистивну тороїдальну опорну конструкцію (TSS) як єдину провідну стінку. Тобто при такому підході параметри TSS (його матеріал, геометрія, час стінки та електропровідність) використовуються для обчислення сили, що діє на цю конструкцію, без урахування впливу інших структур (як VV або PSS). Однак важливо зазначити, що в аналізі TSS часто ігнорується, оскільки його внесок вважається екранованим більш ефективною пасивною стабілізуючою оболонкою (PSS).

Сила у випадку PSS — це оцінка бічної (горизонтальної) сили, розрахованої за умови, що в якості провідної структури враховується тільки пасивна стабілізуюча оболонка (PSS).

Дослідники прагнули порівняти величину бічної сили, що обчислюється за допомогою магнітних вимірювань, з прогнозами трьох різних моделей. Це модель Міронова–Пустовитова, в якій відсутня інтегральна електромагнітна сила, а бічна сила пов'язана з гармоніками вигину, модель Ріккардо–Уокера–Нолла, в якій плазма представляє з себе токонесуче кільце, і модель Захарова, в якій як джерело сили оцінюється середнє тороїдальне магнітне поле.

Інтегральна бічна сила на стінці розраховувалася за допомогою поверхневого інтеграла по всій тороїдальній поверхні посудини. Цей метод дозволяє отримувати «еталонне» значення сили, до якого порівнювалися результати, отримані за теоретичними моделями.

Виявилося, що в фазі розряду амплітуда радіальної компоненти магнітного поля зростала експоненційно, що свідчить про зростання бічної сили. Під час фази спаду спостерігалося різке зменшення амплітуди мод вигину при переході плазми до більш стабільного стану.

Було проведено порівняння моделей. Виявилося, що модель Ріккардо–Уокера–Нолла переоцінює бічну силу приблизно в 20 разів у порівнянні з еталонними даними. Модель Захарова дає оцінку, що перевищує експериментальні дані приблизно в 3 рази, а її прогноз часто має протилежний знак при переході до стабільного стану. Модель Міронова–Пустовитова систематично недооцінювала силу приблизно в три рази, однак її зміна в часі якісно співпадала з експериментом, що вказує на те, що вона найкраща з трьох моделей.

Результати демонструють, що традиційні моделі, які не враховують складну геометрію та взаємодію кількох провідних структур (вакуумного посудини, PSS і TSS), не здатні точно описати спостережувану бічну силу.

«Наш експеримент підтверджує, що бічна сила, яка виникає під час плазмових зривів, суттєво відрізняється від прогнозів класичних моделей. Це свідчить про необхідність враховувати не тільки динаміку окремої моди вигину, але й взаємодію кількох провідних структур, що оточують плазму. Ми впевнені, що подальше дослідження цих явищ дозволить покращити стабільність плазмових розрядів і наблизить нас до успішної реалізації термоядерного синтезу. Урахування складної взаємодії кількох провідних стінок (резистивний вакуумний посуд, пасивна стабілізуюча оболонка та тороїдальна опорна конструкція) є ключовим фактором для коректного розрахунку бічної сили в реальних установках», — підкреслив Володимир Пустовитов, науковий співробітник кафедри фізики та хімії плазми МФТІ.

Результати дослідження мають велике значення для розвитку технологій управління плазмою в термоядерних реакторах. Розуміння механізмів формування бічних сил допоможе розробити нові системи активної стабілізації плазми, здатні коригувати зс