Скрытый фактор — вращение плазмы — помог разгадать ключевую загадку термоядерного синтеза и может сделать реакторы по-настоящему работоспособными.
Учёные уже много лет пытаются объяснить любопытный феномен, происходящий внутри токамаков — аппаратов в форме бублика, которые однажды будут вырабатывать электричество путем термоядерного синтеза. Внутри этих устройств сверхгорячая плазма удерживается на месте с помощью магнитных полей. Некоторые из этих частиц в конечном итоге покидают ядро и направляются к выхлопной системе, называемой дивертором.
Когда частицы достигают дивертора, они ударяются о металлические пластины, остывают и отскакивают. (Возвращающиеся атомы способствуют протеканию термоядерной реакции.) Однако эксперименты неизменно выявляют неожиданный дисбаланс. Гораздо больше частиц попадает во внутреннюю мишень дивертора, чем во внешнюю.
Такое неравномерное распределение — это не просто любопытное явление. Оно имеет большое значение для будущих термоядерных реакторов. Инженеры должны точно знать, куда попадут частицы, чтобы спроектировать диверторы, способные выдерживать экстремальные температуры и нагрузки. До недавнего времени в качестве основного объяснения рассматривались поперечные дрейфы, которые описывают движение частиц в поперечном направлении относительно силовых линий магнитного поля внутри дивертора. Однако моделирование, учитывающее только этот эффект, не могло воспроизвести результаты экспериментов, что вызывало сомнения в том, что модели могут служить надежным ориентиром при проектировании реакторов.
Вращение плазмы — недостающий фактор
Новое исследование позволило найти ключ к разгадке. Ученые обнаружили, что тороидальное вращение — движение плазмы по кругу вокруг токамака — сильно влияет на то, куда в конечном итоге попадают частицы в выхлопной системе.
С помощью программного кода для моделирования SOLPS-ITER исследователи смоделировали поведение частиц в различных условиях. Результаты их работы, опубликованные в Physical Review Letters, показали, что моделирование соответствовало реальным измерениям только в том случае, если учитывалось вращение плазмы наряду с поперечными дрейфами. Такое соответствие между моделями и экспериментальными данными крайне важно для разработки термоядерных систем, которые могут стабильно работать за пределами лаборатории.
"В плазме должны течь два компонента", - сказал Эрик Эмди, младший физик-исследователь Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и ведущий автор исследования. "Существует поток поперечного поля, при котором частицы дрейфуют боком поперек силовых линий магнитного поля, и параллельный поток, при котором они движутся вдоль этих линий. Многие люди говорили, что поток поперечного поля - это то, что создает асимметрию. Эта статья показывает, что параллельный поток, создаваемый вращающимся сердечником, имеет не меньшее значение.
Наконец-то моделирование соответствует реальности
Чтобы проверить свою идею, команда смоделировала поведение плазмы в токамаке DIII-D в Калифорнии. Они провели четыре различных эксперимента, включая и выключая поперечные дрейфы и вращение плазмы. Результаты были очевидны. Ни одно из смоделированных значений не соответствовало экспериментальным данным, пока не был добавлен один критически важный параметр: измеренная скорость вращения ядра в 88,4 километра в секунду.
После учета обоих эффектов модели стали более точно воспроизводить неравномерное распределение частиц, наблюдаемое в реальных экспериментах. Совокупное влияние бокового дрейфа и вращения оказалось гораздо сильнее, чем влияние каждого из этих факторов по отдельности.
Разработка систем термоядерного синтеза для реальных условий
Полученные результаты указывают на важную связь между вращающимся плазменным ядром и поведением частиц на периферии системы. Точное понимание этой взаимосвязи будет иметь решающее значение для прогнозирования движения частиц в будущих реакторах.
Чем точнее прогнозы, тем лучше проектирование. Благодаря более четкому пониманию того, где будут концентрироваться тепло и частицы, разработчики могут создавать дефлекторы, которые будут более устойчивыми и лучше приспособленными к реальным условиям эксплуатации.
Подписывайтесь, чтобы узнавать новое о науке каждую неделю!