Международный коллектив ученых, объединенный целью понять природу боковых сил, действующих на стенку вакуумной камеры при срывах плазмы в токамаке, оценил величины этих сил в трех разных моделях и провел экспериментальное исследование. Работа опубликована в Nuclear Fusion.

Истоки исследований в области плазменных срывов уходят в эпоху эксперимента JET, где впервые было замечено, что боковые силы могут достигать больших амплитуд и приводить к горизонтальному смещению тора токамака. Эти силы связывали с асимметричными магнитными возмущениями, порожденными плазменными деформациями, нарушающими симметрию конструкции. Первые модели описывали плазму как жесткое токонесущее кольцо, что позволяло оценивать силы по классическим формулам, однако эксперименты показывали, что эти модели дают неверное значение силы.

За последние десятилетия ученые предлагали различные теоретические подходы для объяснения наблюдаемых явлений. Совсем недавно появилась новая модель, предложенная Пустовитовым и его учеником Мироновым — в ту пору студентом МФТИ, которая основывается на принципе отсутствия интегральной электромагнитной силы, действующей непосредственно на плазму. Этот принцип позволяет установить жесткое ограничение на допустимые моды деформаций, тем самым предлагая более сдержанную оценку боковой силы. Однако в токамаке также присутствует целый комплекс проводящих структур, что делает задачу оценки силы особенно сложной.

В недавнем исследовании группа ученых под эгидой международного консорциума провела уникальный эксперимент, целью которого стало изучение боковых сил, возникающих во время срывов плазмы и действующих на стенку вакуумной камеры. В эксперименте физики исследовали динамику плазменного разряда. Главной задачей стало измерение и анализ боковой (горизонтальной) силы, возникающей в результате асимметричных магнитных возмущений, а также сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями различных моделей.

Уникальный эксперимент был проведен в Италии международным коллективом с участием российской команды ученых, который работает под эгидой международного проекта ИТЭР.

плазменного — Рисунок 1. Изображение геометрии экспериментальной установки токамака RFX-mod, включая вакуумную камеру (VV), пассивную стабилизирующую оболочку (PSS) и тороидальную опорную конструкцию (TSS). Источник Nuclear Fusion.

В работе рассмотрены три случая: VV, TSS и PSS.

Случай VV означает оценку боковой (горизонтальной) силы, которая рассчитывается, если учитывать только резистивный вакуумный сосуд (VV) как проводящую структуру. То есть при этом подходе влияние других элементов (например, пассивной стабилизирующей оболочки — PSS, и тороидальной опорной структуры — TSS) не учитывается. Параметры VV (его геометрия, материал, время стенки и электрическое сопротивление) используются для определения вкладов в боковую силу, возникающую при плазменном срыве, исходя из измерений магнитного поля вне сосуда.

Сила в случае TSS означает оценку боковой (горизонтальной) силы, если при расчетах учитывать только резистивную тороидальную опорную конструкцию (TSS) как единственную проводящую стенку. То есть при таком подходе параметры TSS (его материал, геометрия, время стенки и электропроводность) используются для вычисления силы, действующей на эту конструкцию, без учета влияния других структур (как VV или PSS). Однако важно отметить, что в анализе TSS часто игнорируется, поскольку его вклад считается экранированным более эффективной пассивной стабилизирующей оболочкой (PSS).

Сила в случае PSS — это оценка боковой (горизонтальной) силы, рассчитанной при условии, что в качестве проводящей структуры учитывается только пассивная стабилизирующая оболочка (PSS).

Исследователи стремились сравнить величину боковой силы, вычисляемой с помощью магнитных измерений, с прогнозами трех различных моделей. Это модель Миронова–Пустовитова, в которой отсутствует интегральная электромагнитная сила, а боковая сила связана с гармониками изгиба, модель Риккардо–Уокера–Нолла, в которой плазма представляет из себя токонесущее кольцо, и модель Захарова, в которой как источник силы оценивается усредненное тороидальное магнитное поле.

Интегральная боковая сила на стенке рассчитывалась с помощью поверхностного интеграла по всей тороидальной поверхности сосуда. Этот метод позволяет получать «эталонное» значение силы, к которому сравнивались результаты, полученные по теоретическим моделям.

Оказалось, что в фазе разряда амплитуда радиальной компоненты магнитного поля возрастала экспоненциально, что свидетельствует о росте боковой силы. Во время фазы спада наблюдалось резкое уменьшение амплитуды мод изгиба при переходе плазмы к более стабильному состоянию.

Было проведено сравнение моделей. Оказалось, что модель Риккардо–Уокера–Нолла переоценивает боковую силу примерно в 20 раз по сравнению с эталонными данными. Модель Захарова дает оценку, превышающую экспериментальные данные примерно в 3 раза, а ее прогноз часто имеет противоположный знак при переходе к стабильному состоянию. Модель Миронова–Пустовитова систематически недооценивала силу примерно в 3 раза, однако ее изменение во времени качественно совпадало с экспериментом, что указывает на то, что она лучшая из трех моделей.

Результаты демонстрируют, что традиционные модели, не учитывающие сложную геометрию и взаимодействие нескольких проводящих структур (вакуумного сосуда, PSS и TSS), не способны точно описать наблюдаемую боковую силу.

«Наш эксперимент подтверждает, что боковая сила, возникающая при плазменных срывах, значительно отличается от предсказаний классических моделей. Это свидетельствует о необходимости учитывать не только динамику отдельной моды перегиба, но и взаимодействие нескольких проводящих структур, окружающих плазму. Мы уверены, что дальнейшее исследование этих явлений позволит улучшить стабильность плазменных разрядов и приблизит нас к успешной реализации термоядерного синтеза. Учет сложного взаимодействия нескольких проводящих стенок (резистивный вакуумный сосуд, пассивная стабилизирующая оболочка и тороидальная опорная конструкция) является ключевым фактором для корректного расчета боковой силы в реальных установках», — подчеркнул Владимир Пустовитов, научный сотрудник кафедры физики и химии плазмы МФТИ.

Результаты исследования имеют большое значение для развития технологий управления плазмой в термоядерных реакторах. Понимание механизмов формирования боковых сил поможет разработать новые системы активной стабилизации плазмы, способные корректировать смещения и предотвращать нежелательные срывы. Использование магнитных сенсоров для прямого измерения боковой силы демонстрирует потенциал таких методик для широкого применения в экспериментах по физике плазмы, позволяя получать более точные данные без необходимости в механических датчиках.

Чтобы снизить расхождение между опытом и теоретическими оценками боковой силы, исследователям предстоит разработать более сложные модифицированные модели, способные учитывать взаимодействие нескольких проводящих структур и влияние гало-токов. Будущие эксперименты могут быть направлены на более детальное изучение временной эволюции мод перегиба и их влияния на смещение плазмы, что поможет лучше понять нелинейные эффекты в динамике разряда. Совмещение магнитных измерений с другими методами диагностики (например, оптическими и рентгеновскими) может дать более полное представление о процессах, происходящих в плазме, и обеспечить создание интегрированных систем контроля.

Исследователи из России добились прогресса в моделировании и измерении боковых сил, в термоядерном реакторе-токамаке