Ученые обнаружили процесс, который стабилизирует термоядерную плазму

Ученые, стремящиеся получить реакцию синтеза, которая питает Солнце и звезды, должны защитить сверхскоростную плазму от разрушения. Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) обнаружили процесс, который может помочь контролировать сбои, считающиеся наиболее опасными.

Термоядерный синтез, который высвобождает безграничную энергию путем слияния атомных ядер в состоянии вещества, известном как плазма, может производить чистую и практически безграничную энергию для выработки электроэнергии для городов и промышленных предприятий во всем мире. Поэтому захват и контроль термоядерной энергии является ключевой научной и инженерной задачей для исследователей во всем мире.

Влияние магнитных островов

Обнаружение PPPL, о котором сообщается в Physical Review Letters, фокусируется на так называемых разрывных модах — нестабильности в плазме, которая создает магнитные островки, являющиеся основным источником разрушения плазмы. Эти островки, похожие на пузырьки структуры, которые образуются в плазме, могут расти и вызывать разрушительные события, которые останавливают реакции синтеза.

Исследователи обнаружили в 1980-х годах, что использование радиочастотных (РЧ) волн для возбуждения тока в плазме может стабилизировать разрывные режимы и снизить риск сбоев. Однако исследователи не заметили, что небольшие изменения — или возмущения — температуры плазмы могут улучшить процесс стабилизации после превышения ключевого порога мощности. Физический механизм, который определил PPPL, работает следующим образом:

Температурные возмущения влияют на силу тока и количество радиочастотной энергии, выделяемой на островах. Возмущения и их влияние имеют сложную обратную связь.
Когда обратная связь сочетается с чувствительностью привода тока к температурным возмущениям, эффективность процесса стабилизации возрастает. Кроме того, улучшенная стабилизация менее подвержена влиянию смещенных токовых приводов, которые не попадают в центр островов.

Общее воздействие этого процесса создает то, что технически называется «конденсация радиочастотного тока» или концентрация радиочастотной энергии внутри острова, которая препятствует его росту.

«Отложение энергии значительно увеличилось», — сказал Аллан Рейман, физик-теоретик PPPL и ведущий автор статьи. «Когда отложение энергии на острове превышает пороговый уровень, происходит скачок температуры, который значительно усиливает стабилизирующий эффект. Это позволяет стабилизировать более крупные острова, чем считалось ранее возможным».

Этот процесс может быть особенно полезен для ИТЭР, строящегося во Франции токамака, чтобы продемонстрировать возможность использования термоядерной энергии. «Есть опасения, что острова могут быть большими и станут причиной сбоев в ИТЭР», — сказал Рейман. «Новые эффекты должны упростить стабилизацию плазмы ИТЭР».

A. H. Reiman et al, Suppression of Tearing Modes by Radio Frequency Current Condensation, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.225001