Старая формула ведет к ошибкам при оценке давления плазмы в новых токамаках

Российские физики обнаружили серьезную систематическую погрешность в методе измерения энергии плазмы внутри токамаков. Долгое время считалось, что используемая во всем мире стандартная аналитическая формула дает точные показатели давления и тепловой энергии, необходимые для удержания вещества в магнитном поле. Однако новые эксперименты доказали, что общепринятый подход способен существенно искажать данные, что создает критические риски для безопасности и эффективности будущих термоядерных реакторов.

Команда исследователей применила детальное компьютерное моделирование для проверки границ применимости старых расчетов, пишет Naked Science. С помощью специального кода SPIDER ученые создали цифровой двойник плазмы, проанализировав тысячи различных состояний вещества в виртуальном токамаке. Они сравнили точные предсказания фундаментальных законов физики с результатами упрощенной формулы, которая десятилетиями служила главным измерительным инструментом для термоядерных установок по всему миру.

Выяснилось, что традиционный алгоритм работает корректно лишь в очень узком диапазоне, когда определенная комбинация давления и распределения тока близка к единице. В режимах с низким давлением формула систематически завышает реальные показатели, а при высоком давлении, к которому стремятся создатели реактора ИТЭР, — значительно занижает их. Погрешность в расчетах может достигать десятков процентов, что совершенно недопустимо для точного управления сложной реакцией синтеза.

Эксперты сравнивают обнаруженный дефект со сломанным термометром, который верно показывает температуру только в одной точке, но ошибается при любых отклонениях. Точность диамагнитных измерений зависит не только от давления, но и от того, как именно электрический ток распределен по сечению плазменного шнура. Ранее использовавшиеся теоретические модели учитывали лишь простейшие поправки на тороидальную форму плазмы, упуская из виду глубокую взаимосвязь параметров.

Полученные данные позволили составить подробную карту погрешностей, которая поможет инженерам избегать неверной интерпретации сигналов от датчиков. Точное понимание запасов энергии критически важно для стабильности разряда, так как ошибки в оценке могут привести к срыву процесса или снижению КПД установки. Теперь теоретикам предстоит разработать новые, более совершенные аналитические инструменты для систем управления плазмой в реальном времени.