Левитирующий снежок в аду вывернул токамак наизнанку

Очень сложно оказалось достичь нужных параметров плазмы. Из-за её капризов установки постепенно вырастают в размерах, массе и, что важнее, становятся всё сложнее. Многотонные магниты формируют поля сложной формы, настраиваемые к тому же с невероятной точностью. Но управляемый синтез, словно жар-птица, не даётся физикам в руки, хотя перьев из её хвоста в последние годы повыдёргивали немало.

Корпус экзотической установки – вакуумная камера диаметром 5 метров и высотой 3 м, выполненная из немагнитной нержавеющей стали. Она весит 11,5 тонны и оснащена несколькими портами и окнами для доступа аппаратуры и для наблюдений (фото и иллюстрация MIT).

Альтернативный путь предлагает "Эксперимент с левитирующим диполем" (Levitated Dipole Experiment — LDX) — совместный проект центра изучения плазмы и синтеза Массачусетского технологического института (MIT Plasma Science & Fusion Center), где находится сама эта установка, и Колумбийского университета (Columbia University). Самые последние опыты с ней обнадёжили физиков.

В данном случае исследователи научились удерживать горячий газ простым по конфигурации магнитным диполем, схожим по архитектуре с магнитным полем Земли или, к примеру, Сатурна. Правда, чтобы такой принцип заработал, дипольный магнит пришлось подвесить без опоры внутри облака плазмы. Тем самым принцип токамаков и стеллараторов был вывернут наизнанку — в тех горячий газ удерживают внутри магнитной системы.

Летающий бублик — тот самый "снежок в аду" — это сверхпроводящий магнит. Во время опыта (а он может длиться до шести часов) магнит ни к чему не подключён, но спокойно продолжает генерировать мощное поле, что возможно, конечно, благодаря незатухающему току в его обмотке. А вот как этот тор попадает в центр камеры, мы сейчас разберём.

Перед началом работы "снежок" располагается в нижней (узкой) части установки, где покоится на специальном держателе – "тарелке". Здесь происходит сразу несколько важных предпусковых фаз (иллюстрации MIT).

В нижней части LDX имеется стационарный криогенный магнит, охлаждаемый жидким гелием. С его запуска начинается цикл. Через полчаса, когда ток в нём достигает почти 4,4 мегаампера, поле — 5 тесла, а сохранённая энергия — 12 мегаджоулей, начинается охлаждение левитирующего магнита (через теплообменник). На это уходит 2,5 часа.

Теперь стационарная катушка разряжается и отдаёт свою энергию подвижной. И уже в ней начинает течь огромный ток — до 1,5 мегаампера. Низкая температура этого главного магнита сохраняется благодаря собственному запасу (1,5 кг) жидкого гелия, который омывает обмотку магнита, а от внешнего теплового воздействия "бублик" защищается двойными, как у термоса, стенками, обеспечивающими теплопотерю меньше 1 ватта.

После того как магнит-снежок вышел на рабочий режим, его поднимает в центр рабочей камеры механический лифт, увенчанный той самой "тарелкой". По достижении магнитом заданной высоты учёные включат систему левитации — это ещё один мощный электромагнит (на высокотемпературных теперь уже сверхпроводниках), который расположен снаружи камеры, на её крыше. Он своим полем удерживает главный магнит от падения, когда "лифт-тарелка" уже в одиночестве опускается вниз, чтобы оказаться вне зоны, где будет господствовать плазма.

Подъём замороженного магнитного "бублика", включение левитации и уход лифта вниз. Удерживающий электромагнит управляется быстродействующим компьютером, следящим за положением главного "бублика" по всем осям и по углу наклона при помощи набора из восьми лазеров и ряда других детекторов (иллюстрации MIT).

Следующий шаг — разогрев газа в камере при помощи микроволнового излучателя. В этот момент вокруг "ледяного бублика" формируется слой чрезвычайно горячей плазмы, научные данные о поведении которой и есть главная продукция установки.

Горячая фаза эксперимента длится секунды, зато её в течение нескольких часов кряду можно повторять каждые пять минут (они необходимы для подстройки тех или иных параметров полей в поисках лучшего соотношения). Пик же температуры и плотности плазмы держится в каждом таком "выстреле" в течение сотых долей секунды, но этого вполне достаточно для целей физиков, тем более что перед нами лишь первая экспериментальная установка, призванная обкатать принцип "снежка в аду" на практике.

В конце работы всё происходит в обратном порядке: лифт поднимается вверх, магнитную систему левитации отключают, "тарелка" забирает "бублик" и опускает его вниз. Здесь "бублик" передаёт свою энергию стационарной катушке, после чего ему можно позволить медленно "оттаять" — нагреться до температуры выше точки перехода в сверхпроводимость (это обеспечивает теплообменник, по которому запускают более тёплый гелий).

Основная фаза работы установки – генерация и удержание горячей плазмы. В этот момент сверхпроводящий летающий "бублик" напоминает планету в миниатюре, с магнитосферой, поймавшей в плен быстрые заряженные частицы (иллюстрации MIT).

Интересно также, что находящаяся в главной фазе под облачком плазмы "тарелка" подъёмника (она подпружинена) служит страховкой, на случай если управляющая левитацией система "собьётся с курса". Тогда магнитный тор упадёт не слишком низко и ударится не слишком сильно (а такое уже произошло пару раз).

Левитация главного магнита очень важна для контроля за плазмой. Ей не мешают никакие подпорки, способные повлиять на поток заряженных частиц или на удерживающее поле. Более того, в ходе ряда опытов создатели установки выявили интересную её особенность — случайные турбулентные потоки в плазме, которые в токамаках снижают её плотность, тут, напротив, только приводят к росту плотности газа. (Детали достижения раскрывает статья в Nature Physics).

Такое противоинтуитивное явление в лабораторных условиях наблюдается впервые. Но не в космосе. Джей Кеснер (Jay Kesner) из Массачусетского технологического, один из руководителей проекта, поясняет в пресс-релизе института, что идея LDX во многом была вдохновлена наблюдениями за магнитосферами планет. А в них турбулентность в потоках заряженных частиц нередко приводит к концентрации плазмы.

Такая аналогия в процессах, по мнению учёных, открывает любопытную дорогу к созданию относительно простых систем управляемого ядерного синтеза. Если в токамаках, где плазму стараются удержать, подталкивая целым набором полей извне, случайные колебания действуют против этого полезного усилия, то в LDX уплотнение горячей плазмы происходит естественным образом. При этом летающий тороидальный магнит плазму не толкает, а словно притягивает. Разница — примерно такая, как между системами с неустойчивым и устойчивым равновесием. А всего-то надо было вывернуть токамак наизнанку.

Катушки (кольца) Гельмгольца (показаны золотистым), расположенные вне стенок герметичной камеры, служат для коррекции силовых линий (голубой цвет) поля сверхпроводящего левитирующего магнита (показан зелёным). Для этого меняют силу тока в кольцах. Такая настройка позволяет экспериментаторам изучать, как на поведение горячей плазмы влияет наличие в системе силовых линий, пересекающих стенки сосуда (иллюстрации MIT).

Кстати, данному проекту, считая от самого замысла, уже больше 10 лет. Первые опыты на этой установке физики начали в 2004 году, но левитирующий магнит ещё не был левитирующим — он был подвешен на распорках. В 2008-м впервые были проведены опыты с левитацией главного магнита. Ну а теперь получены практические результаты, которые позволяют осторожно говорить о работоспособности метода.

Конечно, не всё ещё ясно. Предстоит улучшить регистрирующую аппаратуру и, скорее всего, построить более крупный и мощный экземпляр LDX. Но ведь и у токамаков история эволюции — просто длиннющая. И никто их не списывает со счетов.

Если открытый в LDX эффект концентрации частиц от случайных флуктуаций удастся воспроизвести в большем масштабе, повысив ещё и температуру плазмы, новая техника может оказаться куда более привлекательной ещё по одной важной причине. В то время как в токамаках учёные сосредоточены на запуске реакции дейтерия с тритием (она менее требовательна к параметрам плазмы), "снежок в аду", по словам его создателей, оптимален для куда более капризной реакции типа дейтерий-дейтерий. В чём разница? Отличий много (в нейтронном излучении, к примеру), но главное – одно: тритий ещё нужно производить, а дейтерия – полным-полно в природе.