Левитирующий снежок в аду вывернул токамак наизнанку
Снежок в аду — так охарактеризовал эту установку один из её создателей. Представьте 600-килограммовый «бублик», охлаждённый до минус 269 по шкале Цельсия. Он парит, ни к чему не прикасаясь, будучи окружён со всех сторон плазмой, которая нагрета до 10 миллионов градусов.
Согласно точки зрения физиков, это прообраз устройства для получения фактически неограниченной чистой энергии.
Управляемый ядерный синтез сулит миру кучу польз: горючее из морской бездна и воды энергии без вредных выбросов. Осталось решить один вопрос – как оптимальнееудерживать тёплую плазму. Наровне с лазерным обстрелом зарядов-мишеней надежды физиков связаны с огромными стеллараторами ловушками — и магнитными токамаками.
Увы, не обращая внимания на десятилетия опытов и исследований, во всех трёх случаях учёным ещё на большом растоянии до безоговорочной победы.
Весьма сложно выяснилось достигнуть нужных параметров плазмы. Из-за её капризов установки неспешно вырастают в размерах, массе и, что серьёзнее, становятся всё сложнее. Многотонные магниты формируют поля сложной формы, настраиваемые к тому же с немыслимой точностью.
Но управляемый синтез, как будто бы жар-птица, не даётся физикам в руки, не смотря на то, что перьев из её хвоста сейчас повыдёргивали много.
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 окнами и портами для доступа аппаратуры и для наблюдений (фото и иллюстрация MIT).
Другой путь предлагает «Опыт с левитирующим диполем» (Levitated Dipole Experiment — LDX) — совместный проект синтеза изучения и центра плазмы Массачусетского технологического университета (MIT Plasma ScienceFusion Center), где находится сама эта установка, и Колумбийского университета (Columbia University). Самые последние испытания с ней обнадёжили физиков.
В этом случае исследователи обучились удерживать тёплый газ несложным по конфигурации магнитным диполем, схожим по архитектуре с магнитным полем Почвы либо, например, Сатурна. Действительно, дабы таковой принцип получил, дипольный магнит было нужно подвесить без опоры в облака плазмы. Тем самым принцип стеллараторов и токамаков был вывернут наизнанку — в тех тёплый газ удерживают в магнитной совокупности.
Летающий бублик — тот самый «снежок в аду» — это сверхпроводящий магнит. На протяжении опыта (а он может продолжаться до шести часов) магнит ни к чему не подключён, но нормально генерируетзамечательное поле, что быть может, само собой разумеется, благодаря незатухающему току в его обмотке. А вот как данный тор попадает в центр камеры, мы на данный момент разберём.
Перед тем как приступить к работе «снежок» находится в нижней (узкой) части установки, где покоится на особом держателе – «тарелке». Тут происходит сходу пара ответственных предпусковых фаз (иллюстрации MIT).
В нижней части LDX имеется стационарный криогенный магнит, охлаждаемый жидким гелием. С его запуска начинается цикл. Через полчаса, в то время, когда ток в нём достигает практически 4,4 мегаампера, поле — 5 тесла, а сохранённая энергия — 12 мегаджоулей, начинается охлаждение левитирующего магнита (через теплообменник).
На это уходит 2,5 часа.
Сейчас стационарная катушка разряжается и отдаёт собственную энергию подвижной. И уже в ней начинает течь громадный ток — до 1,5 мегаампера. Низкая температура этого главного магнита сохраняется благодаря собственному запасу (1,5 кг) жидкого гелия, что омывает обмотку магнита, а от внешнего теплового действия «бублик» защищается двойными, как у термоса, стенками, снабжающими потерю тепла меньше 1 ватта.
По окончании 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 совокупность левитации — это ещё один замечательный электромагнит (на высокотемпературных сейчас уже сверхпроводниках), что расположен снаружи камеры, на её крыше. Он своим полем удерживает основной магнит от падения, в то время, когда «лифт-тарелка» уже в одиночестве опускается вниз, дабы появляться вне территории, где будет господствовать плазма.
Подъём замороженного магнитного «бублика», уход лифта и включение левитации вниз. Удерживающий электромагнит управляется быстродействующим компьютером, смотрящим за положением главного «бублика» по всем осям и по углу наклона при помощи комплекта из восьми ряда и лазеров вторых детекторов (иллюстрации MIT).
Следующий ход — разогрев газа в камере при помощи микроволнового излучателя. Сейчас около «ледяного бублика» формируется слой очень тёплой плазмы, научные информацию о поведении которой и имеется основная продукция установки.
Тёплая фаза опыта продолжается секунды, но её в течение нескольких часов кряду возможно повторять каждые пять мин. (они нужны для подстройки тех либо иных параметров полей в отыскивании лучшего соотношения). Пик же плотности и температуры плазмы держится в каждом таком «выстреле» в течение сотых долей секунды, но этого вполне достаточно для целей физиков, тем более что перед нами только первая экспериментальная установка, призванная обкатать принцип «снежка в аду» на практике.
В конце работы всё происходит в обратном порядке: лифт поднимается вверх, магнитную совокупность левитации отключают, «тарелка» забирает «бублик» и опускает его вниз. Тут «бублик» передаёт собственную энергию стационарной катушке, по окончании чего ему возможно разрешить медлительно «оттаять» — нагреться до температуры выше точки перехода в сверхпроводимость (это снабжает теплообменник, по которому запускают более тёплый гелий).
Главная фаза работы установки – удержание и генерация тёплой плазмы. Сейчас сверхпроводящий летающий «бублик» напоминает планету в миниатюре, с магнитосферой, поймавшей в плен стремительные заряженные частицы (иллюстрации MIT).
Весьма интересно кроме этого, что находящаяся в основной фазе под облачком плазмы «тарелка» подъёмника (она подпружинена) является страховкой, на случай в случае если управляющая левитацией совокупность «собьётся с курса». Тогда магнитный тор упадёт не через чур низко и ударится не через чур очень сильно (а такое уже случилось несколько раз).
Левитация главного магнита крайне важна для контроля за плазмой. Ей не мешают никакие подпорки, талантливые оказать влияние на поток заряженных частиц либо на удерживающее поле. Более того, на протяжении последовательности опытов создатели установки распознали увлекательную её особенность — случайные турбулентные потоки в плазме, каковые в токамаках снижают её плотность, тут, наоборот, лишь приводят к росту плотности газа. (Подробности успехи раскрывает статья в Nature Physics).
Такое противоинтуитивное явление в лабораторных условиях отмечается в первый раз. Но не в космосе. Джей Кеснер (Jay Kesner) из Массачусетского технологического, один из начальников проекта, поясняет в пресс-релизе университета, что мысль LDX во многом была вдохновлена наблюдениями за магнитосферами планет.
А в них турбулентность в потоках заряженных частиц часто ведет к концентрации плазмы.
Такая аналогия в процессах, согласно точки зрения учёных, открывает любопытную дорогу к созданию довольно несложных совокупностей управляемого ядерного синтеза. В случае если в токамаках, где плазму стараются удержать, подталкивая целым комплектом полей извне, случайные колебания действуют против этого нужного упрочнения, то в LDX уплотнение тёплой плазмы происходит естественным образом. Наряду с этим летающий тороидальный магнит плазму не толкает, а как будто бы притягивает.
Отличие — приблизительно такая, как между совокупностями с неустойчивым и устойчивым равновесием. А всего-то нужно было вывернуть токамак наизнанку.
Катушки (кольца) Гельмгольца (продемонстрированы золотистым), расположенные вне стенок герметичной камеры, помогают для коррекции силовых линий (светло синий цвет) поля сверхпроводящего левитирующего магнита (продемонстрирован зелёным). Для этого меняют силу тока в кольцах.
Такая настройка разрешает экспериментаторам изучать, как на поведение тёплой плазмы воздействует наличие в совокупности силовых линий, пересекающих стены сосуда (иллюстрации MIT).
Кстати, данному проекту, считая от самого плана, уже больше 10 лет. Первые испытания на данной установке физики начали в 2004 году, но левитирующий магнит ещё не был левитирующим — он был подвешен на распорках. В 2008-м в первый раз были совершены испытания с левитацией главного магнита.
Ну а сейчас взяты практические результаты, каковые разрешают с опаской сказать о работоспособности способа.
Само собой разумеется, не всё ещё светло. Предстоит улучшить регистрирующую аппаратуру и, вероятнее, выстроить более большой и замечательный экземпляр LDX. Но так как и у токамаков история эволюции — легко длиннющая.
И никто их не списывает со квитанций.
В случае 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 ответственной причине. Тогда 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 отличие?
Отличий большое количество (в нейтронном излучении, к примеру), но основное – одно: тритий ещё необходимо создавать, а дейтерия – полным-полно в природе.
