Открыт механизм стабилизации термоядерной плазмы

Пилообразные колебания – периодическое явление в температуре и плотности плазмы, снабжающей топливом термоядерные реакции в токамаках. Эти колебания могут порой совмещаться с другими нестабильностями плазмы и производить серьезные помехи, сводящие реакции на нет. Однако, некоторые плазмы не подвержены этому явлению благодаря механизму, долгое время не дававшему покоя физикам.

Исследователи из Принстонской лаборатории плазменной физики при Министерстве энергетики США недавно воспроизвели комплексные симуляции процесса, способного раскрыть физику, стоящую за механизмом, известным как «нагнетание магнитного потока». Разгадка этого процесса могла бы ускорить получение термоядерной энергии.

Термоядерная реакция – источник энергии звезд. Она представляет собой сплавление легких элементов в плазму – горячее, заряженное состояние материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер, – создающую массивные объемы энергии. Ученые пытаются повторить этот процесс на Земле, чтобы получить практически неиссякаемый источник энергии для генерации электричества.

Нагнетание магнитного потока ограничивает ток в ядре плазмы, завершающей магнитное поле, которое в свою очередь ограничивает горячий, заряженный газ, производящий реакции. Это явление было обнаружено в некоторых типах термоядерной плазмы – оно не дает току стать настолько мощным, чтобы спровоцировать пилообразную нестабильность.
 

Изабель Кребс, ведущий автор «Физики плазмы», возглавила исследование, которое помогло изучить процесс. Она использовала код M3D-C1, разработанный Принстонской лабораторией плазменной физики, на высокопроизводительном компьютерном кластере лаборатории, в сотрудничестве с физиками Стивеном Джардином и Нейтом Ферраро, разработвашими код.

«Мы не понимали механизм, стоящий за нагнетанием магнитного потока, – говорит Джардин. – Работа Изабель описывает весь процесс».

В симуляциях лаборатории, магнитное нагнетание потока развивается в «гибридные сценарии», существующие между стандартных режимов, включающих высокочастотную плазму (H-тип) и низкочастотную плазму (L-тип), а также в продвинутые сценарии, в которых плазма действует в стабильном режиме. В гибридных сценариях, ток остается плоским в ядре плазмы в то время, как давление плазмы остается существенно высоким.

Такая комбинация создает так называемый «режим квазиобмена», действующий подобно смесителю, смешивающему плазму во время деформирования магнитного поля. Смеситель создает мощный эффект, поддерживающий плоскость потока и предупреждающий образование пилообразной нестабильности. Похожий процесс поддерживает магнитное поле, защищающее Землю от космических лучей – расплавленная жидкость в железном ядре планеты служит тем самым смесителем.

Этот механизм также регулирует сам себя, согласно симуляциям. Если нагнетание потока сильно возрастет, ток в ядре плазмы остается «на самом пороге пилообразной нестабильности», согласно Кребс. Оставаясь ниже порога, ток не дает колебаться температуре и плотности плазмы.

Симуляции также могут помочь разработать меры для предупреждения проблемных колебаний.

«Этот механизм может представлять большой интерес для будущих крупномасштабных термоядерных экспериментов, таких как ITER» – говорит Кребс.

ITER – крупный международный термоядерный эксперимент, строящийся во Франции. Для него, получение гибридного сценария может произвести нагнетание потока и сдержать пилообразные нестабильности.