Порог самонамагничивания: как плазма генерирует поля в миллион раз сильнее земного

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) под руководством Кирилла Лежнина обнаружили, что быстро расширяющаяся плазма в системах инерциального термоядерного синтеза с прямым возбуждением способна спонтанно генерировать собственные магнитные поля напряженностью до 40 Тесла. Это открытие опубликовано в журнале Physical Review Letters.

В ходе нового цикла компьютерных симуляций ученые выявили физический механизм, который позволяет перегретой плазме, возникающей при облучении твердой мишени мощным лазером, самостоятельно намагничиваться. Такая самонамагниченная плазма играет ключевую роль в системах термоядерного синтеза, особенно в подходе, называемом инерциальным синтезом с прямым возбуждением.

В таких установках мощные лазерные импульсы сжимают крошечную капсулу с термоядерным топливом, вызывая реакции синтеза. Однако любые неучтенные магнитные поля способны искажать перенос тепла в плазме, что в существующих моделях часто остается незамеченным, но критически важно для точного проектирования будущих энергетических реакторов.

В лабораторных экспериментах давно наблюдалось, что при мгновенном испарении твердой мишени лазером в расширяющейся плазме возникают сильные магнитные структуры, однако их происхождение оставалось предметом споров.

Новое исследование разрешает эту неопределенность. Ученые использовали двумерное моделирование методом частиц в ячейках с учетом столкновений и трассировки лазерных лучей. Они отслеживали эволюцию алюминиевой мишени под действием лазера с интенсивностью в диапазоне от 10¹³ до 10¹⁴ Вт/см², что соответствует условиям реальных экспериментов по инерциальному синтезу.

Ключевой результат заключается в том, что при превышении определенного порога интенсивности расширяющаяся плазма за доли наносекунды самонамагничивается через процесс, известный как неустойчивость Вейбеля. Механизм связан с конкуренцией двух эффектов. При расширении перегретая лазером плазма охлаждается быстрее вдоль направления расширения, чем в поперечных направлениях. Возникающий температурный дисбаланс является движущей силой неустойчивости Вейбеля, которая генерирует магнитные поля.

Однако столкновения между частицами стремятся вернуть плазму в равновесное состояние. Если же интенсивность лазера достаточно велика, температурный дисбаланс становится настолько сильным, что преодолевает столкновительное затухание, и плазма быстро намагничивается, создавая поля до 40 Тесла, что примерно в миллион раз сильнее магнитного поля Земли. При интенсивностях ниже порога плазма остается ненамагниченной.

Возникшие магнитные поля кардинально меняют эволюцию плазмы. Они захватывают электроны на вращающиеся орбиты, подавляя поток тепла от зоны лазерного удара к остальной мишени. Моделирование показало, что эти магнитные эффекты достаточно сильны, чтобы влиять на общую температуру и динамику плазмы, а значит, ими нельзя пренебрегать. Чтобы полученные результаты были полезны практикам, команда вывела простой пороговый критерий, позволяющий предсказать, станет ли плазма намагниченной при заданных параметрах лазера и мишени.

Интересно, что этот порог оказался заметно ниже, чем ожидалось, и попадает в диапазон типичных интенсивностей для обычных экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу. Таким образом, эффекты самонамагничивания имеют прямое значение для действующих установок и должны учитываться в их моделях.

Раскрытый механизм самонамагничивания расширяющейся плазмы через неустойчивость Вейбеля позволяет существенно уточнить моделирование инерциального термоядерного синтеза. Разработанный простой пороговый критерий дает экспериментаторам инструмент для предсказания магнитных эффектов, а само открытие улучшает понимание не только лабораторной, но и астрофизической плазмы, где подобные процессы могут быть широко распространены.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях