Физики обнаружили электрический ток, который может стабилизировать реакции синтеза
Электрический ток присутствует повсюду, от питания домов до управления плазмой, которая питает термоядерные реакции, до возможного возникновения огромных космических магнитных полей. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что электрические токи могут образовываться неизвестными ранее способами.
Новые открытия могут дать исследователям больше возможностей переносить на Землю термоядерную энергию, которая движет Солнцем и звездами.
«Очень важно понимать, какие процессы вызывают электрические токи в плазме и какие явления могут им мешать», — сказал Ян Окс, аспирант программы Принстонского университета по физике плазмы и ведущий автор статьи, выбранной в качестве избранной статьи в журнале Physics of Plasmas.
«Они являются основным инструментом, который мы используем для управления плазмой в исследованиях магнитного синтеза».
Термоядерный синтез — это процесс столкновения легких элементов в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — генерирующего огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез для получения практически неисчерпаемого источника энергии.
Неожиданные токи возникают в плазме в термоядерных установках в форме пончика, известных как токамаки. Токи возникают, когда самопроизвольно формируются электромагнитные волны определенного типа, например, излучаемые радиоприемниками и микроволновыми печами.
Эти волны толкают некоторые из уже движущихся электронов, «которые катаются на волне, как серфингисты на доске для серфинга», — сказал Ян Окс.
Но частоты этих волн имеют значение. Когда частота высока, волна заставляет одни электроны двигаться вперед, а другие — назад. Два движения компенсируют друг друга, и ток не возникает.
Однако, когда частота низкая, волны продвигаются вперед на электроны и назад на атомные ядра или ионы, в конце концов создавая чистый электрический ток. Ян Окс обнаружил, что исследователи могут неожиданно создавать эти токи, когда низкочастотная волна была особого типа, называемого «ионно-акустической волной», которая напоминает звуковые волны в воздухе.
Значение этого открытия простирается от относительно небольших масштабов лаборатории до огромных масштабов космоса.
«По всей вселенной существуют магнитные поля разных масштабов, включая размер галактик, и мы действительно не знаем, как они туда попали», — сказал Ян Окс.
«Обнаруженный нами механизм мог бы помочь зародить космические магнитные поля, и любые новые механизмы, которые могут создавать магнитные поля, и представляет интерес для сообщества астрофизиков».
Результаты расчетов состоят из математических выражений, которые дают ученым возможность вычислить, как эти токи, возникающие без прямого взаимодействия электронов, развиваются и растут. «Формулировка этих выражений была непростой», — сказал Ян Окс. «Нам пришлось сжать результаты, чтобы они были достаточно ясными и использовали простые выражения, чтобы уловить ключевую физику».
Результаты углубили понимание основного физического явления и были неожиданными. Похоже, что они противоречат общепринятому представлению о том, что современные двигатели требуют столкновений электронов.
«Вопрос о том, могут ли волны управлять любым током в плазме, на самом деле очень глубок и относится к фундаментальным взаимодействиям волн в плазме», — сказал Натаниэль Фиш, соавтор статьи, профессор и доцент кафедры астрофизических наук и директор программы по физике плазмы.
«То, что Окс вывел мастерски, дидактически, с математической строгостью, было не только тем, как эти эффекты иногда уравновешиваются, но также и тем, как эти эффекты иногда вступают в сговор, чтобы позволить сформировать чистые электрические токи.»
Эти результаты закладывают основу для будущих исследований. — Что меня особенно волнует, — сказал Фиш, — так это то, что математический формализм, который построил Окс, вместе с приобретенными им физическими интуициями и прозрениями теперь ставят его в положение либо оспаривать, либо ставить на твердую основу еще более любопытное поведение при взаимодействии волн с резонансными частицами в плазме.»
Ian E. Ochs et al, Momentum-exchange current drive by electrostatic waves in an unmagnetized collisionless plasma, Physics of Plasmas (2020). DOI: 10.1063/5.0011516