Нова концепция в ядрения синтез: хибриден термоядрен реактор с висока производителност

Изследователи предлагат нова концепция за реактор за ядрен синтез, която съчетава токамак и стеларатор. По-конкретно, тази комбинация ще преодолее проблемите със стабилността, свързани с конвенционалните токамаци, и недостатъците на мощността, свързани със стелараторите, като по този начин ще увеличи производителността на реактора. Външно новият дизайн е подобен на конвенционалните токамаци, но в центъра му има усукани електромагнитни контури, известни като „бананови намотки“.

Реакторите за ядрен синтез използват мощни магнитни полета, за да генерират енергия чрез задържане на плазмата при много високи температури в изключително малко пространство. За тази цел токамаците са заобиколени от електромагнитни намотки. Оформени като поничка (или тор), тези реактори могат да задържат големи количества плазма. Токамаците обаче разчитат на електрическите токове, нагнетявани от плазмата, за да създадат необходимото магнитно поле, което може да доведе до нестабилност, която да повреди реактора и да попречи на процеса на синтез.

От друга страна, стелараторите са модулни реактори, които използват поредица от усукани намотки, навити около тора. По този начин плазмата се задържа на едно място от спираловидно магнитно поле, генерирано от сложната подредба на намотките. Такива структури обаче са не само трудни за изграждане, но и могат да задържат само сравнително малък обем плазма в сравнение с токамаците.

За да преодолеят тези недостатъци, изследователите от Института по физика на плазмата „Макс Планк“ в Грайфсвалд, Германия, предлагат да се комбинират двете концепции и да се използва най-доброто от всяка от тях. Тази комбинация ще позволи използването на лесни за проектиране намотки, като същевременно ще се използват големи обеми плазма без проблемите с нестабилността, характерни за конвенционалните токамаци. По този начин новата концепция, описана във Physical Review Research, ще бъде по-ефективна и стабилна. Освен това тя изисква по-малко енергия от стандартните реактори.

По-горе е показана опростената схема на хибридния реактор показва границата на плазмата (синьо), обхващаща четири идентични „бананови“ намотки (червено, зелено, синьо и лилаво), разположени в тороидалните полеви намотки (сиво).

По-голяма стабилност при по-голям обем на плазмата

Новата концепция, предложена от екипа в новото изследване, представлява токамак с усукани контури в центъра, повече или по-малко подобни на тези, които се срещат в стелараторите. Известни като „бананови намотки“, тези примки биха създали достатъчно усукване в магнитните полета, за да преодолеят нестабилността на плазмата, присъща на токамаците.

Според компютърното моделиране на изследователите известните „бананови намотки“ биха преодолели и една от основните трудности на токамаците, а именно необходимостта от вкарване на електрически ток в плазмата, за нейното удържане. Неизползването на подобен електрически ток означава, че устройството спестява енергия, като същевременно използва обем плазма, равен на този на конвенционалните токамаци.

И по-рано бяха предлагани хибридни конструкции на токамак и стеларатор, като сферичния стеларатор и токастара. Тези конструкции обаче имаха своите недостатъци. По-конкретно, стелараторите не бяха достатъчно адаптирани за работа с токамак. За да се реши този проблем, бяха предложени така наречените „квазиосносиметрични“ стеларатори (ортогонално симетрични около оста), но тяхната много сложна форма не беше съвместима с тороидалната (пръстенова) симетрия на токамаците.

От своя страна учените в новото изследване предлагат неосиметрична форма, която поддържа плазмата стабилна, без да нарушава общия ѝ обем. Леко извитите намотки на стеларатора се навиват около централната ос на токамака, откъдето идва и наименованието „бананови намотки“. С други думи, в сравнение с типичния набор от намотки за токамака, е необходимо да се добави само една опростена намотка за стеларатора. Това би довело до компактно магнитно поле, запазване на обема на плазмата и насърчаване на плазмения транспорт.

„Тази странна подредба изглежда е ключът към постигането на баланса между токамака и стеларатора и е в основата на нашата идея за хибрид между токамак и стеларатор“,

обясняват изследователите в своята статия.

Важно е обаче да се отбележи, че на този етап това е само концептуално предложение и разработването му може да бъде изпълнено с много предизвикателства. Изследователите също така отбелязват, че компютърното моделиране не може да предвиди на 100% дали хибридната система ще бъде достатъчно стабилна. Въпреки това приликата с токамаците ще улесни тяхната модернизация, което ще доведе до подобрение на техните характеристики.