Репортаж от Wedoany，Сотрудники Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ разработали и испытали экспериментальную установку для измерения магнитного поля в перспективных термоядерных реакторах — сферических токамаках. Устройство способно выявлять на модели вредные «паразитные поля», возникающие из-за микроскопических погрешностей сборки и искажающие форму плазменного шнура.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-72-01037), его результаты опубликованы в авторитетном журнале «Краткие сообщения по физике Физического института имени П. Н. Лебедева», а научно-популярное изложение размещено в ведущем научно-техническом издании CNews.
Основой любого термоядерного реактора является магнитное поле. Оно служит невидимой бутылкой, удерживающей раскалённую плазму и не дающей ей коснуться стенок вакуумной камеры. Чем сильнее поле, тем лучше удержание и выше мощность установки.
Однако традиционные конструкции катушек имеют недостаток: микроскопические смещения проводов при намотке или лёгкий наклон при монтаже приводят к появлению вертикальных и радиальных паразитных полей. Эти искажения — главный враг плазменного шнура: они вызывают неустойчивости, «выбивают» частицы из магнитной ловушки и в итоге гасят термоядерную реакцию.
Обычно полагаются на компьютерное моделирование. Но в реальности, особенно для новой конфигурации — непрерывной тороидальной обмотки с плавным переходом между витками на внутренней стороне, — возникает множество нюансов. Их невозможно предсказать только расчётами — необходимы реальные измерения.
Уменьшенная модель будущего реактора
Для исследования проблемы физики построили масштабную модель — в три раза меньше строящегося в МИФИ токамака МEPhIST-1. Это прецизионный тор (кольцо), напечатанный на 3D-принтере, с проточенными канавками, в которые уложены медные проводники. Конструкция разборная: исследователи могут менять конфигурацию, устанавливать измерительные модули в разных полоидальных (поперечных) сечениях и наблюдать, как растут паразитные поля при изменении угла намотки.
На этой экспериментальной модели можно проводить измерения магнитного поля в четырёх различных точках по окружности тора, а также извлекать кассету с датчиками в сечении φ=0, не разбирая всю конструкцию. Это даёт гибкость, недоступную коллегам, работающим на полномасштабных установках.
Умная плата вместо громоздких приборов
Для измерения магнитного поля учёные спроектировали специализированную печатную плату. На ней размещена матрица из 36 трёхкомпонентных цифровых датчиков Холла (4 по горизонтали и 9 по вертикали) и собственный микроконтроллер. Система самодостаточна: она синхронно считывает данные со всех датчиков с частотой 1000 раз в секунду и записывает их во встроенную память.
Главная инженерная задача, которую решили в МИФИ: как на фоне огромного тороидального (основного) поля различить крошечные паразитные компоненты. Это всё равно что услышать комариный писк на рок-концерте.
Чувствительность каждого датчика лучше 0,3 миллитесла. При токе 180 ампер паразитные поля почти не видны — они тонут в шумах. Но когда экспериментаторы подняли ток до 1200 ампер, картина прояснилась. Основной паразитной компонентой оказалось вертикальное поле, что согласуется с теорией.
Результат: теорию нужно корректировать
Эксперимент показал, что, хотя форма основного тороидального поля хорошо совпадает с компьютерной моделью, отношение паразитных полей к основному оказалось в разы выше предсказанного. Это означает, что даже, казалось бы, идеальный проект сталкивается с реальностью: влияют токоподводы, микроскопические искривления катушек и наклон датчиков.
В МИФИ отмечают: «Самое интересное только начинается. Учёные получили не просто инструмент для калибровки, а прибор, способный „чувствовать“ магнитное поле в каждой точке. Обнаруженное расхождение с расчётами — не провал, а ценные данные. Теперь физики знают, где прячутся неучтённые факторы, и могут скорректировать конструкцию будущих реакторов».
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
