Термоядерные реакторы удерживают плазму с помощью магнитного поля, но даже микроскопические неточности сборки катушек создают паразитные поля, которые искажают форму плазменного шнура и гасят реакцию. Компьютерные расчёты не всегда предсказывают эти искажения — их нужно измерять на физических моделях. Физики НИЯУ МИФИ разработали и испытали экспериментальный комплекс для измерения магнитных полей на макете сферического токамака (масштаб 1:3). Система из 36 датчиков Холла на специальной плате позволяет обнаружить вредные вертикальные и радиальные поля, которые на порядок выше расчётных. Это даёт возможность корректировать конструкцию будущих реакторов ещё на этапе проектирования.
Сотрудники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» разработали и испытали экспериментальный комплекс для измерения магнитных полей в сферических токамаках — перспективных термоядерных реакторах. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в Bulletin of the Lebedev Physics Institute.
В термоядерных реакторах магнитное поле удерживает раскалённую плазму, не давая ей соприкоснуться со стенками камеры. Однако классические конструкции катушек имеют изъян: малейший сдвиг провода при намотке или перекос при монтаже порождает вертикальные и радиальные паразитные поля. Эти искажения вызывают неустойчивости плазменного шнура и в итоге гасят термоядерную реакцию. Компьютерные расчёты не всегда могут предсказать такие нюансы — их нужно измерять на физических моделях.
Учёные построили масштабный образец — копию в масштабе 1:3 от создаваемого в МИФИ токамака МИФИСТ-1. Тор (кольцо) напечатан на 3D-принтере, в канавки уложен медный провод. Конструкция разборная: исследователи могут менять конфигурацию, устанавливать измерительные модули в разных сечениях.
Для измерения полей спроектирована специальная печатная плата с матрицей из 36 трёхкомпонентных цифровых датчиков Холла (4 по горизонтали, 9 по вертикали) и собственными микроконтроллерами. Система автономна: она синхронно опрашивает все датчики с частотой 1000 раз в секунду и записывает данные во встроенную память. Главная инженерная задача — на фоне огромного тороидального поля различить крошечные паразитные составляющие. При токе 180 ампер паразитные поля тонули в шумах, но при увеличении тока до 1200 ампер картина стала ясной.
Эксперименты показали, что форма основного тороидального поля совпадает с компьютерной моделью, но отношение величины паразитных полей к основному оказалось в несколько раз выше предсказанного. Даже идеальный на первый взгляд проект натыкается на реальность: подводящие провода, микроскопические перекосы витков и наклоны датчиков вносят свою лепту. Обнаруженное расхождение с расчётами даёт ценные данные для корректировки конструкции будущих реакторов. Полученный метод позволяет определить предел неточности, который губит плазму, и понять, как построить катушку, чтобы этого избежать.
