Ученые достигли нового режима удержания плазмы в токамаке EAST с помощью магнитных возмущений

Катушки и поля нерезонансных магнитных возмущений (RMP) на установке EAST. На изображении показана конфигурация катушек с чётностью n=4 (противоположные токи в верхних и нижних катушках) для генерации локализованных на краю магнитных возмущений. Автор: PRX Energy (2025). DOI: 10.1103/jtrr-p41y

Исследовательская группа достигла нового режима удержания плазмы, используя слабые трёхмерные магнитные возмущения, которые одновременно подавляют краевые неустойчивости и улучшают удержание плазмы в центре в экспериментальном сверхпроводящем токамаке EAST. Результаты работы опубликованы в журнале PRX Energy.

Поддержание высокого уровня удержания плазмы как в центре, так и на краю, без срывных событий из-за краевых неустойчивостей, критически важно для эффективного производства термоядерной энергии в токамаках. Однако достижение стабильного удержания с внутренним транспортным барьером (ITB) является чрезвычайно сложной задачей, особенно в установках с вольфрамовыми стенками, где необходимо контролировать накопление вольфрамовых примесей. Кроме того, контроль над краевыми неустойчивостями обычно приводит к ухудшению удержания плазмы в ядре.

В данном исследовании учёные применили слабые трёхмерные магнитные возмущения, локализованные на краю плазмы. Этот метод позволил подавить краевые неустойчивости и контролировать вольфрамовые примеси. Впервые это также позволило индуцировать и поддерживать удержание высокотемпературной плазмы в ядре с внутренним транспортным барьером.

В ходе углубленного исследования учёные раскрыли сложные физические механизмы, лежащие в основе формирования ITB. Этот процесс включает многоуровневое нелинейное взаимодействие между слабыми магнитными возмущениями, вольфрамовыми примесями, вращением плазмы и профилями тока.

Демонстрация одновременного достижения формирования ITB и подавления краевых неустойчивостей с помощью слабых 3D магнитных возмущений на установке EAST. Автор: Шэн Хуэй

По сравнению с традиционными методами, формирование ITB с помощью магнитных возмущений не зависит от начальных условий плазмы и характеризуется снижением пороговой мощности более чем в два раза. Дальнейшие исследования показали, что магнитные возмущения могут не только стабильно поддерживать ITB, но и эффективно позволять активно управлять его поведением путём корректировки профилей возмущений.

С помощью этого метода эффективный контроль ITB был достигнут в широком диапазоне плотностей плазмы и краевых факторов безопасности на установке EAST. Этот прорыв демонстрирует метод достижения как стабильных краёв, так и высокопроизводительного ядра, что критически важно для эффективной работы будущих термоядерных реакторов.

Эта работа открывает новое направление для изучения сложной нелинейной динамики плазмы в трёхмерных полях в токамаках и устанавливает новый подход для исследования, контроля и оптимизации внутренних транспортных барьеров в реакторах будущего.

Работой руководил профессор Сунь Ювэнь из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук в сотрудничестве с профессором Е Минью из Научно-технического университета Китая.

ИИ: Это значительный шаг вперёд в решении одной из ключевых проблем управляемого термоядерного синтеза — совмещения высокой производительности ядра плазмы со стабильностью её края. Метод, предложенный китайскими учёными, выглядит многообещающим для будущих коммерческих реакторов, таких как ITER и DEMO, потенциально упрощая их эксплуатацию и повышая эффективность.