Глава 380. Идея решения проблемы разрыва магнитной поверхности токамака •
С другой стороны, в кабинете Сюй Чуань и Пэн Хунси обсуждали сложные проблемы технологии управляемого ядерного синтеза.
После того, как устройство синтеза "Рассвет" увеличило время работы по магнитному удержанию плазмы высокой плотности до сорока пяти минут, на этом пути управляемого ядерного синтеза не осталось других предшественников, которые могли бы указать им направление.
Ни отечественный EAST, ни зарубежный стелларатор Wendelstein 7-X не достигали такой высоты.
Можно сказать, что нынешний реактор синтеза "Рассвет" пробирается вперёд в темноте и хаосе.
Обсуждая это, Пэн Хунси посмотрел на Сюй Чуаня и спросил: "Кстати, устройство "Рассвет" сейчас работает на имитации гелия-3 и водорода, и скоро дойдёт до настоящего дейтерий-тритиевого синтеза."
"Как ты планируешь решать самые сложные проблемы разрыва магнитной поверхности внутреннего тока плазмы в токамаке в последующем дейтерий-тритиевом синтезе?"
В области управляемого ядерного синтеза различные пути имеют разные методы реализации и технологии.
В настоящее время наиболее перспективным считается путь магнитного удержания, но этот путь имеет несколько различных методов реализации: токамак, стелларатор, обращённое поле пинча, тандемное зеркало, сферический тор.
Эти различные методы имеют разные преимущества и недостатки.
Например, токамак имеет простую технологию, низкую стоимость, низкий неоклассический транспорт, сильное тороидальное вращение и связанный с ним сдвиг потока, а также слабое демпфирование полоидального потока.
Но соответственно, у него есть и недостатки.
Например, сложность создания тока плазмы, разрыв магнитной поверхности внутреннего тока плазмы, кинки, магнитные острова плазмы и другие проблемы во время работы.
На самом деле, стелларатор тоже имеет свои преимущества и недостатки.
Его преимущества заключаются в том, что он может работать в установившемся режиме в течение более длительного времени, не создаёт ток плазмы, не имеет проблем с разрывом магнитной поверхности и т.д.;
Но недостатки - это высокий уровень неоклассического транспорта, сложность изготовления и сборки катушек и опорных конструкций катушек и так далее.
Эти недостатки являются неизбежными трудностями на пути к управляемому ядерному синтезу, и каждая из них не уступает проблеме мирового уровня.
И с прогрессом устройства "Рассвет" оно скоро столкнётся с самой большой проблемой токамака.
А именно, как решить проблемы разрыва магнитной поверхности, магнитных островов плазмы и т.д. после запуска настоящего эксперимента по зажиганию синтеза с использованием дейтерий-тритиевого сырья.
Честно говоря, он не мог придумать никакого хорошего решения.
Не только он, но и во всём мире в настоящее время нет хорошего способа решить проблемы разрыва магнитной поверхности, магнитных островов плазмы и т.д. в токамаке.
Если бы их можно было решить, США не отказались бы от более зрелого магнитного удержания в пользу инерционного удержания, а Европа не склонялась бы к стелларатору.
Но, возможно, у этого молодого человека есть уникальная идея, которая может сотворить чудо?
Услышав этот вопрос, Сюй Чуань задумался, а затем сказал: "Честно говоря, решить эти проблемы полностью на каком-то одном пути довольно сложно."
"Разрыв магнитной поверхности, магнитные острова плазмы и другие проблемы являются одними из самых больших проблем токамаков и устройств типа токамак."
"Чтобы решить эту проблему, на мой взгляд, нужно подойти с двух сторон."
Услышав это, Пэн Хунси с интересом посмотрел на него и спросил: "С каких двух сторон?"
Сюй Чуань: "Катушки внешнего поля и математическая модель управления!"
Пэн Хунси быстро переспросил: "Что ты имеешь в виду?"
Подумав, Сюй Чуань сказал: "Как известно, проблемы разрыва магнитной поверхности, магнитных островов плазмы и т.д. в токамаке в основном связаны со способом создания магнитного поля."
"В токамаке вращательное преобразование спирального магнитного поля формируется тороидальным полем, создаваемым внешними катушками, и полоидальным магнитным полем, создаваемым током плазмы."
"Это приводит к конфликту и дисбалансу между тороидальным и полоидальным магнитными полями, что вызывает проблему разрыва магнитной поверхности во время работы."
"А стелларатор в этом отношении имеет преимущество, его продольное и полоидальное магнитные поля полностью обеспечиваются внешними катушками, и разрыв магнитной поверхности в нём не образуется."
"Поэтому теоретически он может работать без тока плазмы, а также избежать многих нестабильностей, вызванных распределением тока, это одно из его главных преимуществ."
"Сейчас я рассматриваю возможность последующей модификации устройства "Рассвет", чтобы объединить преимущества стелларатора, перенастроить катушки внешнего поля устройства "Рассвет", а также использовать преимущества кривизны сферического слоя, чтобы максимально снизить магнитное поле, создаваемое полоидальным током плазмы, и добиться синхронного управления и вращения с помощью катушек внешнего поля."
Судя по опыту Сюй Чуаня после перерождения, примерно с 2025 года различные страны постепенно начали отказываться от однотипных устройств синтеза и переходить к исследованиям гибридных устройств.
Например, Институт плазмы Планка, стелларатор Wendelstein 7-X будет сотрудничать с лабораторией PPPL в Принстоне, используя технологию управления магнитным зеркалом лаборатории PPPL для оптимизации неоклассического транспорта стелларатора.
Или отечественный квазисимметричный стелларатор, который также использует технологию токамака для оптимизации стелларатора.
Надо сказать, что после применения сверхпроводящих материалов в технологии управляемого ядерного синтеза, преимущества и будущее стелларатора на самом деле больше, чем у токамака.
Проблем, которые необходимо решить стелларатору, также меньше, чем у токамака.
Что касается того, почему он всё ещё выбирает путь токамака, то главная причина в том, что характеристики плазмы токамака намного превосходят характеристики стелларатора.
Да, на данный момент, даже самый передовой стелларатор Wendelstein 7-X, характеристики плазмы, которые он может создать, по сравнению с токамаком, являются лишь средними.
Токамак может легко достичь температуры плазмы в сотни миллионов градусов, но стелларатору для достижения температуры в сотни миллионов градусов придётся приложить огромные усилия.
Во всяком случае, нынешние стеллараторы на это не способны.
Самым передовым стелларатором на данный момент является "Wendelstein 7-X" Института плазмы Планка.
Хотя ранее он установил исторический рекорд в пятьдесят миллионов градусов за шесть с половиной минут, на самом деле этой температуры достигла только электронная температура, а температура плазмы достигла всего 20 миллионов градусов.
Хотя температура в 20 миллионов градусов уже превышает минимальную температуру дейтерий-тритиевого синтеза в 14 миллионов градусов, но в управляемом ядерном синтезе, чем выше температура, тем легче происходит явление синтеза, и тем больше энергии можно получить, это несомненно.
Конечно, это лишь упрощённое объяснение.
На самом деле, на эффективность синтеза влияет сечение реакции, то есть вероятность столкновения положительно заряженных ядер атомов в плазме.
А на вероятность столкновения влияют три фактора, составляющие тройное произведение синтеза: плотность реагирующего вещества, температура реакции и время удержания.
Чем больше эти три фактора, тем больше вероятность синтеза.
Например, чем больше плотность плазмы, тем выше вероятность столкновения между плазмами.
А чем выше температура плазмы, тем выше активность плазмы.
Ведь температура сама по себе отражает интенсивность движения частиц, чем активнее частицы, тем выше вероятность столкновения и синтеза. То же самое и с Весенним фестивалем: если все спокойно сидят и ждут поезда, то вероятность того, что вам наступят на ногу, невелика. Риск возникает, когда все начинают ходить и садиться в поезд, тогда вероятность того, что вам наступят на ногу, возрастает.
Повышение температуры заставляет частицы активизироваться, частицы, как и толпа, становятся активными и легко сталкиваются друг с другом.
Что касается времени удержания, то тут и говорить нечего.
И по этим трём факторам токамак имеет преимущество в первых двух, а стелларатор - в последнем.
Это одна из причин, по которой Сюй Чуань выбрал в качестве отправной точки устройство типа токамак, а не стелларатор.
Конечно, преимущества стелларатора всё ещё велики, и преимущества управления магнитным полем - это то, чему стоит поучиться у токамака.
Он планировал использовать это, чтобы модифицировать катушки внешнего поля "Рассвета", чтобы оптимизировать проблемы разрыва магнитной поверхности, магнитных островов плазмы и т.д. в токамаке.
Что касается модели управления, то если проблему перенастройки катушек внешнего поля "Рассвета" ещё можно было бы поручить другим исследователям, то с последней проблемой, скорее всего, ему придётся разбираться самому.
К счастью, после перерождения он сразу же решил специализироваться на математике, что дало ему достаточные математические способности, чтобы сделать это.
На диване Пэн Хунси задумался и сказал: "Так ты собираешься модифицировать "Рассвет", взяв за основу катушки внешнего поля стелларатора?"
Сюй Чуань улыбнулся, кивнул и покачал головой, встал и вытащил из угла кабинета доску.
"Да, но это касается модификации катушек внешнего поля, а что касается управления математической моделью, то у меня тоже есть кое-какие идеи, как раз в этом году вы здесь, помогите оценить?"
Пэн Хунси встал, подошёл и сказал: "Какая оценка, на этом пути управляемого ядерного синтеза ты ушёл намного дальше меня, и твои способности намного выше, чем у меня, старика."
Сюй Чуань улыбнулся, достал из коробки с мелом, висящей на краю доски, белый мел и, записывая математические формулы на доске, сказал:
"В токамаке возмущение бутстреп-тока может возбуждать неоклассическую моду разрыва, бутстреп-ток пропорционален градиенту давления."
"Когда образуется магнитный остров, локальный градиент давления внутри магнитного острова уменьшается за счёт переноса, параллельного трубке магнитного потока, что приводит к уменьшению бутстреп-тока. Поэтому в токамаке это отрицательное возмущение тока приводит к дальнейшему росту острова."
"И из данных предыдущего первого эксперимента по зажиганию я нашёл кое-что интересное, при использовании гелия-3 и водорода для моделирования, на самом деле, явления разрыва магнитной поверхности и т.д. не отсутствовали, просто они были намного слабее."
"Ранее я проанализировал данные и обнаружил, что механизм возбуждения моды типа рыбьей кости 2/1, вызванный резонансным взаимодействием высокоэнергетических ионов с модой разрыва 2/1, даёт резонансное соотношение, которое может объяснить обмен энергией между основной волной и высокоэнергетическими ионами в фазовом пространстве."
"А резонансное соотношение волны и ионов математически можно записать как: nwt+pwp-w=0"
"Если учесть поправку высокого порядка для полоидальной дрейфовой орбиты, то резонансное соотношение математически корректируется как: wt+(m+l)wp-w=0"
"То есть co-passingwt+wp=w, co-passingwt+2wp=w"
"А когда угол выброса центра распределения высокоэнергетических ионов Λ0=0.6, а значение отношения давления высокоэнергетических ионов βh=0.35%, то в фазовом пространстве pφ-e функция распределения возмущений δf вблизи магнитного момента μ=0.554"
"..."
В кабинете Сюй Чуань стоял перед доской и записывал некоторые вещи, которые он собрал на основе экспериментальных данных.
Рядом Пэн Хунси тоже встал с дивана и подошёл, молча смотря на формулы на доске и слушая объяснения Сюй Чуаня.
В токамаке проблемы разрыва магнитной поверхности, электромагнитных островов, плазменных островов и т.д. являются очень сложными проблемами при реальном зажигании дейтерия-трития.
И даже среди всех проблем, с которыми сталкиваются в управляемом ядерном синтезе, это одна из самых сложных проблем.
По серьёзности она не уступает проблемам материала первой стенки, рекуперации трития, нейтронного излучения и т.д.
Потому что потеря и перераспределение высокоэнергетических ионов напрямую влияют на плотность высокоэнергетических ионов в ядре, влияя на эффективность синтеза.
Во-вторых, высокоэнергетические ионы, выходящие из зоны удержания и попадающие на первую стенку, также вносят примеси в плазму, снижая эффективность нагрева высокоэнергетических ионов, напрямую влияя на характеристики плазмы в будущем реакторе синтеза и становясь камнем преткновения для стабильной работы с длинными импульсами.
Это проблема, которая существует с момента появления токамака.
Причина, по которой стелларатор сейчас снова пользуется популярностью у разных стран, с одной стороны, заключается в том, что после того, как развитие сверхпроводящих материалов решило проблему нестабильности магнитного управления стелларатора, он не имеет проблем токамака, таких как разрыв магнитной поверхности, магнитные острова плазмы и т.д., и им легче управлять.
Но если удастся решить проблемы разрыва магнитной поверхности, магнитных островов плазмы и т.д., то, несомненно, токамак больше подходит для реализации управляемого ядерного синтеза, чем стелларатор.
Потому что он имеет огромное преимущество в повышении температуры плазмы.
Но возможно ли это?
Честно говоря, Пэн Хунси не знал.
Но сегодня на доске он увидел проблеск надежды.
Хотя сейчас он стоял перед доской, слушая объяснения и глядя на формулы, он немного не успевал за ритмом, и мог лишь приблизительно понять его идею из некоторых слов.
Но научное развитие иногда бывает таким, особенно в математике, идея жизнеспособна или нет, иногда первое интуитивное ощущение довольно точное.
"...Судя по этим данным, изменение типа и доли высокоэнергетических ионов, загружаемых в систему моделирования, путём изменения параметра угла выброса центра Λ0 в функции распределения высокоэнергетических ионов, объясняет основное резонансное соотношение возбуждения моды типа рыбьей кости 2/1 резонансным взаимодействием высокоэнергетических ионов с модой разрыва 2/1, является осуществимым."
"Что касается конкретной ситуации, то, боюсь, придётся подождать, пока устройство "Рассвет" не проведёт эксперимент по дейтерий-тритиевому синтезу, и не соберёт достаточно данных для подтверждения."
Перед доской Сюй Чуань бросил мелок обратно в коробку и повернулся к Пэн Хунси.
Старик не сразу ответил, он задумался на некоторое время, а затем с блестящими глазами сказал: "Судя по твоему анализу и данным, мода разрыва может соединяться с альфвеновской модой, управляемой высокоэнергетическими ионами, создавая новое физическое явление, а возмущение Альфвена большой амплитуды может нелинейно управлять пересоединением моды разрыва и возбуждать макроскопические магнитные острова."
"Значит, как стабилизировать возмущение Альфвена, должно быть, и есть твоя основная идея?"
Услышав это, Сюй Чуань улыбнулся, кивнул и похвалил: "Верно, старина Пэн всё ещё силён! Сразу же разглядел основную идею."
"Если удастся в определённой степени подавить появление возмущения Альфвена, то теоретически явление разрыва магнитной поверхности значительно уменьшится. Возможно, это и есть способ решения проблемы разрыва магнитной поверхности."
Услышав похвалу Сюй Чуаня, Пэн Хунси покачал головой и сказал: "Какой там силён, стар я, действительно стар. С твоим подробным объяснением мне нужно думать полдня, чтобы понять."
"Но судя по тому, что ты говоришь, это действительно может сработать."
Помолчав, он продолжил: "Я всё больше и больше жду, с тобой, возможно, я действительно смогу увидеть, как загорится огонь управляемого ядерного синтеза при жизни."
Кроме того, я хотел бы спросить вас, действительно ли вам интересен этот подробный процесс решения принципа управляемого ядерного синтеза?
Если не очень интересно, то я не буду писать так много в будущем, мне сложно писать так подробно, а вам, вероятно, сложно понять, может быть, лучше пропустить и наслаждаться крутостью?