Российские физики обнаружили существенный недостаток в общепринятой методике измерения параметров плазмы внутри токамаков — устройств, призванных приблизить человечество к эре управляемого термоядерного синтеза. Стандартная аналитическая формула, которая десятилетиями служила своего рода «градусником» для оценки давления и тепловой энергии плазмы, оказалась неточной в критически важных режимах работы. Выяснилось, что погрешность расчетов может достигать десятков процентов, что создает серьезные риски для эффективного управления будущими реакторами.
Для проверки надежности существующих алгоритмов ученые использовали высокоточный вычислительный код SPIDER, позволяющий создавать детальные цифровые модели плазменного шнура. С помощью этого «виртуального токамака» исследователи провели тысячи симуляций, варьируя давление и распределение электрического тока внутри установки. Сравнение полученных данных с предсказаниями классической формулы показало, что она дает верные результаты лишь в узком диапазоне параметров, когда комбинация давления и внутренней индуктивности близка к единице.
В режимах с высоким давлением, к которым стремятся современные экспериментальные установки и строящийся международный реактор ИТЭР, традиционный метод начинает систематически занижать показатели. И наоборот, при низком давлении формула выдает завышенные, чрезмерно оптимистичные оценки. По словам Владимира Пустовитова, сотрудника кафедры плазменной энергетики МФТИ, обнаруженная ошибка подобна неисправному термометру, который искажает реальную температуру пациента в зависимости от того, насколько она отклоняется от нормы.
Результатом работы стало создание подробной карты погрешностей, которая наглядно демонстрирует «слепые зоны» старого метода. Исследование выявило, что точность измерений зависит не только от давления плазмы, как считалось ранее, но и от того, как именно распределен ток по ее сечению. Численное моделирование позволило учесть сложные факторы, которые игнорировались упрощенными аналитическими теориями прошлого, и предложить более строгий подход, основанный на фундаментальных вириальных соотношениях.
Открытие имеет принципиальное значение для безопасности и стабильности термоядерных установок. Неверная оценка энергии, запасенной в плазме, может привести к срыву реакции или повреждению дорогостоящего оборудования. Теперь теоретикам предстоит разработать новые формулы, которые смогут заменить устаревший стандарт и обеспечить надежный контроль над экстремальными состояниями вещества в реальном времени.
По материалам Naked Science