Ученые совершили прорыв в области магнитного удержания, который может ускорить развитие термоядерной энергетики, предоставив более быстрый и точный способ удержания высокоэнергетических частиц в термоядерных реакторах.
Новая конструкция основана на теоретическом подходе, который предлагает многообещающее решение одной из самых сложных проблем в области термоядерной энергетики: как предотвратить утечку энергоемких частиц из камеры реактора.
Открытие было профинансировано Министерством энергетики США и сделано учеными Техасского университета в Остине, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Form One Energy Group. Они утверждают, что их метод позволит эффективнее проектировать непроницаемые магнитные поля для термоядерных реакторов, особенно стеллараторов, в 10 раз быстрее, чем традиционные методы.
Наиболее многообещающим является то, что новый метод может достичь этой цели, сохраняя при этом точность, необходимую для работы этих высокоэнергетических реакторов, что в прошлом препятствовало прогрессу в методах магнитного удержания.
Магнитное удерживание в термоядерных реакторах
Вопрос о том, как удержать высокоэнергетические альфа-частицы в магнитном поле термоядерного реактора, уже давно беспокоит исследователей в области термоядерной энергетики. В экстремальных условиях реактора эти частицы иногда могут просачиваться наружу, охлаждая плазму внутри реактора и ухудшая процесс синтеза.
Поскольку эти частицы необходимы для поддержания чрезвычайно высоких температур и плотностей, необходимых для поддержания реакций синтеза, инженеры традиционно полагались на сложные системы, использующие магнитное удержание для захвата этих частиц. Однако выявление и устранение пробелов в магнитном поле требует больших вычислительных мощностей и времени.
«Самое интересное то, что мы решаем проблему, которая существует уже почти 70 лет», — сказал Джош Берби, доцент кафедры физики Техасского университета и ведущий автор новой статьи , в котором подробно описывается работа команды.
Берпи назвал новую работу «сдвигом парадигмы в том, как мы проектируем эти реакторы».
Стеллараторы в центре внимания
Основное направление исследований команды — стеллараторы — термоядерные реакторы тороидальной (в форме бублика) конструкции, в которых для управления магнитным полем, генерируемым внутри, используются сложные внешние обмотки. Катушки в этих устройствах были впервые разработаны в 1950-х годах и образуют так называемые «магнитные бутылки» для удержания плазмы и высокоэнергетических частиц.
Раньше инженеры полагались на законы движения Ньютона для определения траекторий частиц и поиска утечек, что требовало большой точности, но было связано с большими вычислительными затратами.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
При проектировании стелларатора может потребоваться смоделировать сотни или даже тысячи вариантов, чтобы гарантировать устранение утечки, но эта задача быстро становится невыполнимой.Чтобы упростить процесс, ученые часто используют менее точный метод, называемый теорией возмущений, который позволяет определить приблизительное место возможного образования утечки. Подобные сокращения экономят время и усилия, но часто приносят в жертву точность, тем самым сдерживая прогресс в разработке стелларатора.
Берби и его соавторы использовали теорию симметрии для разработки нового метода, обеспечивающего скорость и точность, необходимые для оптимальных реакций синтеза.
«Без наших результатов не существует практического способа найти теоретический ответ на проблему удержания альфа-частиц», — недавно сказал Берпи о работе команды. «Прямое применение законов Ньютона обходится слишком дорого».
«Подходы теории возмущений могут приводить к серьезным ошибкам», — сказал Берби. «Наша теория впервые избегает этих ловушек».
Группа полагает, что новый метод может найти применение не только в стеллараторах, но и в другом ведущем устройстве магнитного термоядерного синтеза — токамаке. В токамаке убегающие электроны, если они вырываются наружу, часто повреждают стенки реактора.
Новый метод позволит исследователям более точно определять потенциальные точки утечки этих электронов, что может стать мощным инструментом для повышения безопасности и эффективности реакторов.
Читайте все последние новости науки на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.