Ученые приблизили практическое применение энергии термоядерного синтеза

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США указали на вероятную причину внезапного коллапса тепла, предшествующего сбоям, которые могут повредить термоядерные установки токамака. Преодоление этой преграды может решить одну из самых серьезных проблем, с которыми столкнутся будущие термоядерные установки, и приблизить производство термоядерной энергии, питающей солнце.
Исследователи проследили коллапс до трехмерного беспорядка сильных магнитных полей, которые блокируют горячий, заряженный плазменный газ, питающий реакции. "Мы предложили новый подход к пониманию [неупорядоченных] линий поля, который обычно игнорировался или плохо моделировался в предыдущих исследованиях", — сказал Мин-Гу Ю, научный сотрудник PPPL и ведущий автор статьи, которую журнал Physics of Plasmas, поместил на обложку июльского номера. С тех пор Ю стал штатным научным сотрудником General Atomics в Сан-Диего.
Сильные магнитные поля заменяют в термоядерных установках огромную гравитацию, которая удерживает термоядерные реакции в небесных телах. Но при беспорядке из-за нестабильности плазмы в лабораторных экспериментах силовые линии позволяют теплу сверхгорячей плазмы (горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер и составляет 99% видимой Вселенной) быстро покидать удерживающую его магнитную ловушку. Такое тепло в миллионы градусов сминает частицы плазмы вместе, чтобы высвободить термоядерную энергию. Оно же может повредить стены термоядерной установки, если вырвется из магнитной ловушки.
"В случае серьезного нарушения линии поля становятся полностью [беспорядочными], как спагетти, и быстро соединяются со стеной на очень разных длинах, — говорит главный физик-исследователь Вейсин Ван, советник Ю по PPPL и соавтор статьи. — Так огромная тепловая энергия плазмы попадает к стене".
Термоядерный синтез объединяет легкие элементы в виде плазмы, которая генерирует огромное количество энергии. Ученые всего мира стремятся уловить и контролировать процесс термоядерного синтеза на Земле, чтобы создать чистый, безуглеродный и практически неисчерпаемый источник для выработки электроэнергии.
Холмы и долины
Мы раньше не знали трехмерной топологии беспорядочных силовых линий, вызванных турбулентной нестабильностью. Топология образует крошечные холмы и долины, объясняет Ю, в результате чего некоторые частицы остаются в ловушках в долинах и не могут выбраться из заключения, в то время как другие скатываются с холмов и ударяются о стены установки.
"Существование этих холмов является причиной быстрого температурного коллапса, так называемое термическое гашение, поскольку они позволяют большему количеству частиц выйти на стенку токамака, — говорит Ю. — В статье мы показали, как нарисовать хорошую карту для понимания топологии силовых линий. Без магнитных холмов большинство электронов были бы захвачены и не могли бы вызвать термическое гашение, наблюдаемое в экспериментах".
Ученые PPPL смоделировали топологию термической закалки как сложную трехмерную, а не простую одномерную структуру, как это было изображено. При этом исследователи избегали распространенных чрезмерных упрощений, которые могли бы ввести в заблуждение.
"Это исследование дает новое физическое представление о том, как плазма теряет свою энергию по направлению к стене, когда есть открытые силовые линии магнитного поля, — сказал Ю. — Новое понимание будет полезно для поиска инновационных способов смягчения или предотвращения термического гашения и разрушения плазмы в будущем".
Редактор: Илья Дочар
Источник: Принстонская лаборатория физики плазмы