Tokamak, który zmienia kształt

Idea w jednym akapicie

W tokamaku plazma tworzy pierścień. Gdyby go przeciąć, zobaczylibyśmy przekrój: okrągły, wyciągnięty w górę, w kształcie litery D albo jeszcze inny. Ten kształt ma wielkie znaczenie, bo od niego zależy, jak dobrze plazma trzyma ciepło, jak jest stabilna i jak strumień ciepła z jej brzegu trafia na ścianę (zob. Dlaczego kształt ma znaczenie). Większość maszyn może go zmieniać tylko trochę. TCV zaprojektowano tak, by sam kształt stał się przedmiotem badań.

Wysoka komora i wiele cewek

Kluczem do TCV jest jego komora próżniowa, trzy razy wyższa niż szersza, i cewki wokół niej. Ta wysokość nie jest przypadkowa: obliczenia z czasów wcześniejszego tokamaka TCA pokazały, że wydłużona plazma ma zalety, a stabilną plazmę można utrzymać do wydłużenia około 3 – i to wyznaczyło projekt nowej komory.

Szesnaście cewek poloidalnych, ułożonych w dwa stosy po obu stronach komory, kształtuje plazmę, a cewka omowa (OH) indukcyjnie wytwarza w niej prąd elektryczny. Według SPC TCV ma więcej niezależnie zasilanych cewek kształtujących niż jakakolwiek porównywalna maszyna, więc plazmę można ciągnąć, rozciągać i wyginać w bardzo różne formy.

Archiwalna prezentacja TCV z CRPP, ostatnio aktualizowana w 2007 r., podaje jego główne wymiary: promień wielki 0,88 metra, promień mały 0,25 metra i toroidalne pole magnetyczne do 1,54 tesli. Prąd plazmy zaprojektowano na 1,2 megaampera; w pierwszym roku pracy sięgnął około 1 megaampera. Plazmę można było rozciągnąć w pionie do wydłużenia 2,8, a jej trójkątność – miara tego, jak bardzo spiczasty jest jej kształt litery D – mogła się zmieniać od −0,7 do 1. Obecne strony SPC opisują komorę i systemy grzania, ale tych liczb nie powtarzają, dlatego podajemy je jako wartości historyczne.

Jak TCV grzeje plazmę

Oprócz prądu, który w plazmie wytwarza cewka OH, TCV korzysta z dwóch systemów grzania. Pierwszy to grzanie elektronowo-cyklotronowe: wiązki mikrofal podgrzewają elektrony. TCV może używać maksymalnie siedmiu oddzielnych wiązek, sterowanych w czasie rzeczywistym, które grzeją plazmę albo wytwarzają w niej prąd lokalnie, tam, gdzie zostaną skierowane. Drugi to wstrzykiwanie wiązki neutralnej, które grzeje jony; TCV ma dwa takie wtryskiwacze. Sterowanie tymi systemami w czasie rzeczywistym otworzyło nowe sposoby prowadzenia eksperymentów.

Trzydzieści lat eksperymentów

TCV zastąpił wcześniejszy tokamak CRPP, TCA, który w latach 1980–1992 służył do testów grzania falami Alfvéna; po wycofaniu z eksploatacji jego części złożono na nowo w São Paulo jako TCABR. Budowa TCV ruszyła w 1989 r., pierwsza plazma powstała w listopadzie 1992 r., a kampanie naukowe zaczęły się w czerwcu 1993 r.

Grzanie dochodziło etapami. W 1998 r. zainstalowano pierwszy system grzania elektronowo-cyklotronowego (ECRH) o mocy 1,5 megawata i częstotliwości 82,7 gigaherca, a temperatura elektronów osiągnęła 6 keV. W 1999 r. przez 1,9 sekundy utrzymano prąd plazmy wytwarzany wyłącznie mikrofalami. W 2000 r. moc mikrofal wzrosła do 3 megawatów, plus 0,5 megawata przy 118 gigahercach, a w 2002 r. temperatura elektronów osiągnęła 18 keV.

W latach 2014–2015 maszynę zatrzymano, by zainstalować wtryskiwacz wiązki neutralnej (NBI) i unowocześnić diagnostykę; potem TCV dołączył do programu EUROfusion, z pracami nad zakłóceniami (dysrupcjami), elektronami ucieczki i alternatywnymi dywertorami. W 2016 r. NBI dodał 1 megawat, a do pracy weszły dwa kolejne źródła ECRH po 0,75 megawata; tego roku temperatura jonów osiągnęła 2,5 keV. TCV zyskał też opcjonalne przegrody (baffles), które pozwalają uzyskać różne geometrie obszaru dywertora. Drugi wtryskiwacz wiązki neutralnej dostarczono w 2023 r.

Kształty, których nikt wcześniej nie uzyskał

W 2008 r. na TCV uzyskano pierwszy doświadczalny dywertor typu snowflake, czyli „płatek śniegu”. Dywertor to część tokamaka, do której odprowadza się brzeg plazmy, żeby przejąć jego ciepło. W „płatku śniegu” zbliża się do siebie dwa punkty, w których pole magnetyczne się znosi, dzięki czemu strumień ciepła rozkłada się na większą część ściany. Nowsza odmiana, „meduza” (jellyfish), dodaje trzeci taki punkt, by jeszcze skuteczniej rozłożyć moc.

Na TCV badano też ujemną trójkątność: kształt litery D odwrócony tak, że jego szpic jest skierowany ku środkowi maszyny. SPC podaje, że taki kształt tłumi turbulencje – na TCV i na innych tokamakach. Eksperymenty na TCV pokazały też, że skrajne wydłużenie pomaga zwiększyć ciśnienie plazmy przy zachowaniu stabilności, co SPC nazywa cechą kluczową dla tokamaków o skali reaktora. TCV potrafi nawet utrzymać w komorze jednocześnie dwie niezależne plazmy – taki układ nazywa się „kropelkami” (droplets).

Gdy w 2023 r. TCV obchodził trzydziestolecie, kierownik fizyki TCV Stefano Coda wymienił „płatek śniegu” i ujemną trójkątność wśród kształtów plazmy uzyskanych po raz pierwszy właśnie na tej maszynie.

Plazma sterowana przez sztuczną inteligencję

W lutym 2022 r. SPC i DeepMind opublikowały w „Nature” pierwszą demonstrację magnetycznego sterowania plazmą w tokamaku za pomocą głębokiego uczenia ze wzmocnieniem. Napięcia na cewkach tokamaka trzeba kontrolować bardzo starannie, inaczej plazma może uderzyć w ścianę. Zamiast z góry wyliczać każde ustawienie, sterownik uczył się, wypróbowując wiele strategii na symulatorze plazmy SPC; Federico Felici z SPC mówił, że symulator opiera się na ponad 20 latach badań.

Potem sterownik został użyty na TCV, gdzie wytworzył i utrzymał różne kształty plazmy – w tym dwie oddzielne plazmy w komorze jednocześnie.

Wciąż przebudowywany

TCV ciągle się zmienia. SPC opisuje dużą modernizację infrastruktury, która dodaje cewkę ograniczającą elektrony ucieczki (REMC) i ciasno obudowany dywertor z długimi nogami (TBLLD), a także nową diagnostykę. Aktualny stan maszyny podają strony SPC (stan na 3 listopada 2026 r.).

Grupy mogą zobaczyć TCV podczas wizyty w Swiss Plasma Center; zob. Podróże naukowe.