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".