Ученые пришли к новому пониманию проблемы термоядерного синтеза

Задача создания термоядерной энергии на Земле заключается в улавливании ионизированного газа, известного как плазма, который питает термоядерные реакции в сильном магнитном поле, и удержании плазмы как можно более горячей и плотной как можно дольше.

Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы получили новое представление о распространенном типе сбоя, известном как пилообразная нестабильность, которая охлаждает горячую плазму в центре и мешает реакциям синтеза. Это открытие могло бы помочь приблизить термоядерную энергию к реальности.

«Обычные модели объясняют большинство случаев сбоев, но существует ряд наблюдений, которые мы никогда не смогли объяснить», — сказал физик PPPL Кристофер Смит, ведущий автор статьи, в которой сообщается о результатах в Nuclear Fusion.

«Объяснение этих необычных явлений могло бы заполнить пробел в понимании пилообразного феномена, который существует уже почти 40 лет».

Термоядерный синтез объединяет легкие элементы в виде плазмы — горячего, заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер — и в процессе этого генерирует огромное количество энергии.

Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез в устройствах на Земле для получения практически неисчерпаемого запаса безопасной и чистой энергии для производства электричества.

Исследователи десятилетиями знали, что температура в ядре термоядерной плазмы часто поднимается медленно, а затем может внезапно упасть — это нежелательное явление, поскольку низкая температура снижает эффективность.

Преобладающая теория заключается в том, что сбой происходит, когда величина, называемая фактором безопасности, который измеряет стабильность плазмы, падает до измерения, близкого к 1. Коэффициент запаса прочности связан с тем, насколько сильно закручивается магнитное поле в термоядерных установках токамака.

Однако некоторые наблюдения показывают, что температурный сбой происходит, когда коэффициент запаса прочности падает примерно до 0,7. Это довольно удивительно и не может быть объяснено общепринятыми теориями.

Новое понимание, исходящее не из физики плазмы, а из абстрактной математики, показывает, что когда коэффициент запаса прочности принимает определенные значения, одно из которых близко к 0,7, магнитное поле в плазменном ядре может измениться в другую конфигурацию, называемую переменно-гиперболической.

«В этой топологии плазма теряется в ядре», — говорит Кристофер Смит. — Плазма выбрасывается из центра в противоположных направлениях. Это приводит к новому способу частичного растрескивания магнитного каркаса, внезапного падения температуры в сердечнике и повторения процесса, когда магнитное поле и температура медленно восстанавливаются.»

Новые идеи предполагают новое захватывающее направление исследований, направленное на сохранение большего количества тепла в плазме и более эффективное производство термоядерных реакций.

«Если мы не можем объяснить эти наблюдения, то мы не полностью понимаем, что происходит в этих машинах», — говорят исследователи. «Противодействие пилообразной нестабильности может привести к образованию более горячей, более стабильной плазмы и приблизить нас к термоядерному синтезу.»

Новая модель показывает, что один из случаев, когда магнитная конфигурация в токамаке может измениться происходит тогда, когда коэффициент безопасности падает точно до двух третей, или до 0,666.

«Это очень близко к значению 0,7, которое было замечено в экспериментах, особенно если учесть экспериментальную неопределенность», — говорят ученые.

Они надеется проверить новую модель, проведя эксперименты на токамаке. «Математика показала нам, что нужно искать, так что теперь мы сможем это увидеть.»

Christopher Berg Smiet et al, Bifurcations of the magnetic axis and the alternating-hyperbolic sawtooth, Nuclear Fusion (2020). DOI: 10.1088/1741-4326/ab9a0d