В мире, где спрос на чистую и практически неисчерпаемую энергию растет с каждым годом, термоядерный синтез по-прежнему выглядит как заветная цель науки. Воссоздать на Земле те процессы, что питают наше Солнце, - задача не только научная, но и инженерная, полная тонких и труднопреодолимых препятствий. Одна из самых сложных задач - не просто разогреть плазму до сотен миллионов градусов, а суметь увидеть её внутреннюю структуру и управлять ею с высокой точностью. И в этой тонкой области японским исследователям удалось сделать заметный шаг вперёд, который способен ускорить дальнейшее развитие реакторных технологий.
В Национальном институте термоядерного синтеза Японии (NIFS) установлен крупнейший в мире стелларатор - Large Helical Device (LHD). Его сложный набор сверхпроводящих магнитов, формирует магнитное «корсетное» поле, удерживающее раскалённую плазму и не позволяющее ей касаться стенок камеры.
На LHD для этой цели используют сложную диагностическую систему - зонд тяжёлых ионов (HIBP). Работает он по принципу, напоминающему эхолот: в плазму направляют пучок заряженных частиц, но вместо звуковых волн применяются ионы. В экспериментах посылают высокоэнергетический пучок отрицательно заряженных ионов золота. Во время пролёта через плазму ионы сталкиваются с её частицами, теряют электроны и превращаются в положительные ионы. Отслеживая угол рассеяния и энергию этих «перевернувшихся» частиц, исследователи получают точную картину распределения электрического потенциала.
Но у метода был серьёзный технический барьер. Для получения чёткого сигнала требуется мощный и узконаправленный пучок ионов с большим током. Но при попытке увеличить ток пучок отрицательных ионов золота начинал расползаться ещё до входа в основной ускоритель. Причина - эффект пространственного заряда: одноимённые заряды в плотном пучке отталкиваются, из-за чего основной поток рассеивается и большая часть ценных ионов терялась.
Полная реконструкция ускорительной системы - это дорого и долго. Но японская команда нашла более хитрое и экономичное решение: они обратили внимание на уже существующий многоступенчатый предускоритель, который стоит между источником ионов и главным ускорителем.
С помощью детальных численных расчётов исследователи локализовали места, где пучок терял фокус. Вместо замены оборудования они выбрали путь перенастройки. Точная оптимизация распределения напряжений на электродах предускорителя превратила его в своего рода «электростатическую линзу». Как оптическая линза фокусирует свет, так и эта электростатическая система сжимает поток заряженных частиц. Созданное поле компенсирует силы отталкивания между ионами и удерживает пучок в узком конусе, направляя его прямо в главный ускоритель.
Численные прогнозы обещали высокий результат: транспортировка пучка должна была превысить 95% эффективности. Реальные испытания подтвердили расчёты — ток вводимого в ускоритель пучка отрицательных ионов золота вырос в 2–3 раза.
Это количественное улучшение переросло в качественный прорыв для диагностики: увеличился и поток высокоэнергетических положительных ионов, вводимых в плазму, что позволило исследовать более глубокие и плотные слои. Улучшившаяся точность сигналов открыла возможность фиксировать быстрые временные изменения потенциала, которые до этого момента были недоступны. Теперь учёные наблюдают в реальном времени, как плазма отвечает на включение и выключение систем нагрева и других управляющих воздействий.
В результате команда получила надёжный инструмент для составления детализированных «карт» потенциала плазмы при условиях, близких к тем, что будут в будущих термоядерных реакторах. Эти данные ценнейшая база для улучшения моделей управления плазмой и дальнейшей разработки проектных решений для новых реакторов, приближающих нас к чистой и масштабируемой энергетике.