Физики нашли скрытый изъян в формуле для измерения энергии плазмы в токамаках
В основе мечты человечества об управляемом термоядерном синтезе — источнике практически неисчерпаемой и чистой энергии — лежит способность создавать и удерживать вещество в экстремальном состоянии, называемом плазмой, при температурах в сотни миллионов градусов. Наиболее перспективным устройством для этого является токамак — тороидальная (в форме «пончика») магнитная ловушка. Чтобы управлять плазмой и не дать ей коснуться...
В основе мечты человечества об управляемом термоядерном синтезе — источнике практически неисчерпаемой и чистой энергии — лежит способность создавать и удерживать вещество в экстремальном состоянии, называемом плазмой, при температурах в сотни миллионов градусов. Наиболее перспективным устройством для этого является токамак — тороидальная (в форме «пончика») магнитная ловушка. Чтобы управлять плазмой и не дать ей коснуться стенок реактора, ученым необходимо с высочайшей точностью измерять ее ключевые параметры в реальном времени, прежде всего — ее давление и запасенную тепловую энергию.
Одним из важнейших методов такого измерения является диамагнитная диагностика. Горячая плазма, подобно газу в воздушном шаре, «раздувается» и вытесняет удерживающее ее магнитное поле. Это явление, называемое диамагнетизмом, порождает слабый сигнал, который улавливается специальными датчиками. На протяжении многих лет для расшифровки этого сигнала и пересчета его в значение давления плазмы (характеризуемого параметром «бета-полоидальное», βp) использовалась стандартная, относительно простая аналитическая формула. Она стала своего рода «градусником» для термоядерной установки, надежность которого долгое время не подвергалась сомнению. Однако по мере того как эксперименты на токамаках становились все сложнее и достигали новых режимов с высоким давлением, ученые в разных лабораториях мира начали замечать расхождения между данными диамагнитной диагностики и показаниями других измерительных систем.
Команда российских исследователей поставила перед собой задачу систематически проверить, насколько точна эта общепринятая формула, и определить границы ее применимости. Для этого они использовали надежный вычислительный код SPIDER, который позволяет создавать детальную цифровую модель равновесия плазмы в токамаке. С помощью этого «виртуального токамака» ученые смогли смоделировать огромное количество различных состояний плазмы, варьируя в широких пределах не только ее давление (βp), но и другой важный параметр — внутреннюю индуктивность (li), которая описывает, как электрический ток распределен по сечению плазменного шнура. Для каждой из тысяч смоделированных конфигураций они вычисляли точный диамагнитный сигнал, предсказываемый фундаментальными законами физики, и сравнивали его с результатом, который давала стандартная упрощенная формула. Результаты работы опубликованы в журнале Physics of Plasmas.
Результаты оказались весьма показательными. Выяснилось, что стандартная формула точна лишь в узком диапазоне состояний плазмы, а именно когда комбинация параметров βp + li/2 близка к единице. Если этот параметр меньше единицы, что характерно для режимов с низким давлением, формула начинает систематически завышать реальное давление плазмы. И наоборот, в режимах с высоким давлением, к которым стремятся современные установки и будущий реактор ИТЭР, когда βp + li/2 становится значительно больше единицы, формула дает заниженное значение. Погрешность может достигать десятков процентов, что является недопустимым для надежного управления термоядерной реакцией.
Владимир Пустовитов, научный сотрудник кафедры плазменной энергетики МФТИ, пояснил: «Мы обнаружили, что стандартная формула, которую десятилетиями использовали как надежный инструмент, имеет своего рода «слепое пятно». Ее точность зависит не только от давления плазмы, как считалось ранее, но и от распределения тока внутри нее. Это похоже на то, как если бы обычный термометр правильно показывал 36.6 °C, но завышал температуру при 35 градусах и занижал при 39. В некоторых режимах работы токамака этот «градусник» может давать оптимистичную, завышенную оценку состояния плазмы, а в других, наоборот, пессимистичную. Наше исследование дает карту этих погрешностей и предлагает более точный подход, основанный на строгих вириальных соотношениях, который позволяет избежать неверной интерпретации данных».
Проделанная работа впервые не просто констатирует наличие расхождений, а систематически картирует ошибку стандартной формулы в широком диапазоне параметров и выявляет истинную физическую причину этой ошибки — зависимость от комбинации давления и профиля тока. Предыдущие аналитические теории, на которых основана стандартная формула, учитывали лишь самые простые поправки, связанные с тороидальной формой плазмы, и оказались неточными. Численное моделирование позволило обойти эти упрощения и увидеть полную картину.
Точное знание энергии, запасенной в плазме, — это ключ к стабильной работе токамака. Недооценка этого параметра может привести к тому, что операторы будут слишком сильно «накачивать» плазму энергией, рискуя сорвать разряд, в то время как переоценка может привести к неэффективной работе установки. Предложенный в работе более точный подход к анализу диамагнитных измерений позволит ученым и инженерам на действующих и будущих установках, включая ИТЭР, получать более достоверную информацию о состоянии плазмы, что необходимо для отладки сценариев зажигания и удержания термоядерной реакции.
Исследование также ставит новую задачу перед теоретиками — разработать новые, более точные и при этом достаточно простые аналитические формулы, которые могли бы заменить устаревший стандарт и использоваться в системах управления плазмой в реальном времени. Это еще один важный шаг на долгом пути к созданию надежного и эффективного термоядерного реактора.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно