Новое объяснение нестабильности в плазме может помочь создать термоядерный синтез

Ученые, стремящиеся создать на Земле термоядерный синтез, дающий энергия Солнцу и звездам, имеют дело с нестабильностью плазмы — колебаниями давления и температуры плазмы, которые питают реакции синтеза, подобно зубчатым лезвиям пилы.

Если эти колебания достаточно велики, и они могут привести к внезапному коллапсу всего разряда плазмы. Такие колебания были впервые обнаружены в 1974 году и до сих пор не получили общепринятой теории, объясняющей экспериментальные наблюдения.

Теперь исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) предложили новую теорию, объясняющую колебания, происходящие в токамаках. По словам исследователей, теория, созданная с помощью компьютерного моделирования с высокой точностью, согласуется с наблюдениями, сделанными в ходе экспериментов с токамаком.

Понимание этого процесса может оказаться жизненно важным для термоядерных установок следующего поколения, таких как ITER, международный строящийся реактор во Франции, чтобы продемонстрировать практичность термоядерной энергии.

Синтез объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячее заряженное состояние вещества, состоящее из свободных электронов и атомных ядер, — которое генерирует огромное количество энергии. Ученые, стремящиеся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, намерены дать людям практически неисчерпаемый запас безопасной и чистой энергии.

Последние результаты показывают, что, когда давление в ядре плазмы достигает определенной точки, могут возникать нестабильности, которые вызывают внезапное падение давления и температуры. Эти нестабильности создают перемешанные или стохастические магнитные поля в ядре плазмы, которые вызывают ее коллапс.

Новые результаты резко расходятся с давней теорией о том, что причиной колебаний является нестабильность, которая приводит к магнитному пересоединению — разрыву и соединению линий магнитного поля в плазме.

Мотивация новой теории — это предыдущее исследование PPPL, которое демонстрирует, как нестабильность, которая, как предполагалось, ведет к магнитному пересоединению, может фактически самостабилизировать плазму. Это достигается путем создания локализованного напряжения, которое не позволяет току в ядре плазмы достигать пика в достаточной степени, чтобы подвергаться магнитному пересоединению.

Новое объяснение гласит, что, хотя магнитное пересоединению подавлено, увеличение тепла в ядре плазмы может возбуждать локализованные нестабильности, которые действуют вместе, чтобы сгладить давление и температуру в течение пилообразного цикла. Моделирование, разработанное физиками PPPL, демонстрирует этот процесс. Новые нестабильности могут расти очень быстро, в соответствии с быстрым коллапсом тепла, наблюдаемым в экспериментах, которые традиционная теория не может объяснить.

Эта продвинутая модель предоставляет новый способ понимания пилообразных явлений в плазме. Заглядывая в будущее, ученые хотят изучить применимость модели к таким задачам, как описание эволюции «гигантских пил» и использование мощных радиочастотных антенн для управления колебаниями пилообразных колебаний. «Мы хотим разработать имитационную модель цельной плазмы токамака, — говорят ученые, — и эта новая теория является важной частью усилий».

S. C. Jardin et al, A new explanation of the sawtooth phenomena in tokamaks, Physics of Plasmas (2020). DOI: 10.1063/1.5140968