Термоядерному реактору «прощупают» магнитное поле

Сотрудники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) разработали и испытали экспериментальный комплекс для измерения магнитных полей в перспективных термоядерных реакторах — сферических токамаках. 

Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (проект № 23-72-01037), опубликовано в авторитетном Bulletin of the Lebedev Physics Institute. Разработка позволяет на макете выявить вредные «паразитные» поля, которые возникают из-за микроскопических неточностей сборки и искажают форму плазменного шнура.

Почему это важно?

В основе любого термоядерного реактора лежит магнитное поле. Оно, словно невидимая бутылка, удерживает раскаленную плазму, не давая ей соприкоснуться со стенками камеры. Чем сильнее поле, тем лучше удержание и выше мощность установки.

Однако классические конструкции катушек имеют изъян: малейший сдвиг провода при намотке или перекос при монтаже приводит к появлению вертикальных и радиальных паразитных полей. Эти искажения — главные враги плазменного шнура: они вызывают неустойчивости, «выбивают» частицы из ловушки и в итоге гасят термоядерную реакцию.

Обычно все рассчитывают на компьютере, Но в реальности, особенно для перспективной схемы сплошного тороидального соленоида, когда витки плавно переходят один в другой на внутреннем радиусе, появляются нюансы. Их невозможно предсказать только расчетами - нужно мерить.

Уменьшенная копия будущего реактора

Чтобы изучить проблему, физики построили масштабный образец — 1:3 от создаваемого в МИФИ токамака МИФИСТ-1 (MEPhIST-1). Это аккуратное кольцо (тор), напечатанное на 3D-принтере, с проточенными канавками, в которые уложен медный провод. Конструкция сделана разборной: исследователи могут менять конфигурацию, устанавливать измерительные модули в разных полоидальных (поперечных) сечениях и смотреть, как растет паразитное поле при изменении угла намотки.

На этом макете, как на полигоне, возможно замерять поле в четырех разных точках по окружности тора, при этом кассета с датчиками в сечении φ=0 вынимается без разбора всей конструкции. Это даёт гибкость, которой нет у коллег, работающих на полноразмерных установках.

Умная плата вместо громоздких приборов

Для измерения полей ученые спроектировали специальную печатную плату. На ней — матрица из 36 трехкомпонентных цифровых датчиков Холла (4 по горизонтали, 9 по вертикали), а также собственные микроконтроллеры. Система автономна: она синхронно опрашивает все датчики с частотой 1000 раз в секунду и записывает данные во встроенную память.