Кратко и по существу.
1) Главные физические трудности (чего надо добиться)
- Достичь и удержать параметры, удовлетворяющие критерию Лоусона: $nT{\tau }_E$ достаточно велики при $T\sim 10\mathrm{keV}$ (порядокно: $n{\tau }_E\gtrsim 10^{20}s/{\mathrm{m}}^3$ или $nT{\tau }_E\sim 10^{21}-10^{22}\mathrm{keV}\cdot s/{\mathrm{m}}^3$).
- Минимизировать транспорт и потери энергии/частиц (тепловая проводимость, турбулентность, нейтральная рекомбинация).
- Обеспечить удержание и торможение альфа-частиц (самоподогрев) и выведение «золы» (helium ash).
- Защитить стенки и дивертор от интенсивных тепловых и нейтронных потоков; обеспечить брабление трития и долговечность материалов.
2) Ключевые нестабильности и механизмы потерь
- Макроскопические MHD-нестабильности: кник (kink), внешний/внутренний kink, тороидальные моды, tearing modes и resistive wall modes (RWM).
- Нео-классические и авторежимные разрезы: neoclassical tearing modes (NTM), sawtooth (внутренний kink) — приводят к резкому ухудшению профилей и возможным срывам (disruptions).
- Эджевые явления: ELM (edge-localized modes) — циклические выбросы энергии на дивертор.
- Микротурбулентность: ITG, TEM и др. — «анормальный» транспорт энергии и частиц.
- Альфа- и быстрые-частичные нестабильности: альфовские моды (TAE и пр.) — потеря быстрых частиц.
- Разряды/срывы (disruptions) с быстрым термическим и токовым разрядом, формированием runaway-электронов и индуцированных ударных нагрузок на стенки.
- Потери на стенку: выбросы нейтралов, эрозия/осаждение примесей (радиационные потери).
3) Инженерно-физические решения и меры подавления (по проблемам)
- Для устойчивости MHD и контроля q-профиля:
- профильирование тока (контроль q(r)) посредством комбинированного тока: индукционный + неиндукционные токодрайвы (ECCD, LHCD, NBI, ICRH);
- активные управляющие катушки и обратные связи для стабилизации RWM; установка стабилизирующих проводящих обкладок.
- использование профилирования магнитного сдвига (magnetic shear) и профилей давления (профиль p) для удаления драйвера режимов.
- создание внутренних транспортных барьеров (ITB) для улучшения стационарности.
- Для NTMs и sawtooth:
- целенаправленная локальная подача тока/ECCD в O-point острова или в зону q=1 (синхронная подача) для уничтожения островов;
- контроль профиля температуры/тока и преднамеренная модуляция для смещения sawtooth.
- Для ELMs:
- уменьшение/исключение крупных ELM через резонансные магнитные возмущения (RMP), pacing пеллетами (pellet pacing) или вертикальными «киками»; переход в режимы с малыми или отсутствующими ELM (grassy ELM, QH-mode).
- Для турбулентности и потерь:
- достижение H-mode и поддержание сильной сдвиговой скорости потока (flow shear) для сдерживания турбулентности; оптимизация магнитной геометрии (треугольность, плотность сдвига);
- управление профилями через нагрев (NBI, ECRH, ICRH) и чистку примесей.
- Для альфа-пarticle и быстрых частиц:
- выбор профилей и режимов для снижения возбуждения альфовских мод; активное наблюдение и коррекция; удержание быстрых частиц магнитным полем и адекватное распределение нагрева.
- Для предотвращения и смягчения disruptions:
- предупреждающая диагностика и активное управление; экстренное смягчение через massive gas injection (MGI) или shattered pellet injection (SPI) для предотвращения runaway-электронов и уменьшения тепловых/электромагнитных нагрузок.
- Для тепловых/нейтронных нагрузок и материалов:
- диверторные концепции: радиативный / detached divertor, advanced divertor geometries (snowflake, X-divertor), жидкометаллические диверторы;
- использование в зоне первой стены и дивертора материалов с высокой температурой плавления и низкой эрозией (вольфрам, бериллий в утеплении) + исследование жидких металлов (Li);
- теплоотвод, активное охлаждение, структурная защита, многослойные пласты стенки и системы удалённого обслуживания (радиационная деградация и замена).
- Для обеспечения непрерывной работы и топлива:
- переход к неиндукционному удержанию (bootstrap current + external current drive) для стационарных режимов;
- конструкторские решения для бланкетов с размножением трития (Li-брели), теплообменом и радиационной защитой;
- системы детекции/контроля трития и регенерации.
- Магниты и конструкция установки:
- использование сверхпроводящих катушек (Nb3Sn, REBCO HTS) для высоких полей; механические расчёты на большие силы, криогенные системы; активная диагностика/управление полем.
4) Организация управления и диагностика
- Быстрая диагностика MHD, плотности, температуры, профилей тока; реального времени обратная связь для ECCD, RMP, заслонок.
- Многоуровневая система защиты (предупреждение → смягчение → ремонт).
Вывод: основной комплекс проблем — удержание и работа в режимах, устойчивых против множества MHD и микроскопических нестабильностей, защита материальной части установки от тепла и нейтронов, а также управление током/профилями для стационарной работы. Для каждой проблемы существуют физические и инженерные контрмеры: профильирование тока/давления, локальные токи (ECCD), активные катушки и обратные связи, RMP/пеллет-пейсинг для ELM, диверторные решения и системы смягчения disruptions (MGI/SPI), а также применение супермощных магнитов и материаловных технологий с удалённым обслуживанием.