1955
Експеримент на найбільшому діючому токамаку Північної Америки DIII-D у Сан-Дієго дав перші свідчення того, що одна з «вроджених вад» термоядерного синтезу може, навпаки, допомагати реактору працювати краще. Як повідомляє ScienceAlert, певний тип плазмової нестабільності здатен пригнічувати турбулентність і покращувати утримання тепла в плазмі.
Сучасні експериментальні реактори термоядерного синтезу часто мають форму «бублика» і називаються токамаками. Усередині такого тороїдального магнітного пристрою плазму розігрівають до приблизно 150 мільйонів градусів Цельсія, що вдесятеро гарячіше за ядро Сонця. За таких умов важкі ізотопи водню можуть зливатися, виділяючи величезну кількість енергії.
Одна з головних проблем на цьому шляху — турбулентність у надгарячій плазмі, яка призводить до втрати тепла. Довгий час вважалося, що плазмові нестабільності лише погіршують ситуацію, послаблюючи утримання енергійних частинок. Нові результати показують, що зв’язок між нестабільністю та турбулентністю значно складніший.
Як нестабільності можуть допомагати реактору
У статті, опублікованій у журналі Physical Review Letters, дослідники описують експеримент на токамаку DIII-D, де вони виявили, що нестабільності типу власних мод Альфвена (Alfvén eigenmodes, AE) можуть покращувати роботу реактора. Ці моди — це плазмові хвилі, які зазвичай вважають шкідливими, оскільки вони погіршують утримання енергійних частинок.
Однак, спираючись на теорію та комп’ютерні моделювання, команда показала, що AEs можуть також збуджувати плазмові потоки та електромагнітні струми, які створюють так званий зсувний потік. Саме цей зсувний потік пригнічує плазмову турбулентність усередині токамака.
Коли турбулентність слабшає, електрони та іони (заряджені атомні ядра) можуть нагріватися до вищих температур, формуючи умови, більш сприятливі для термоядерних реакцій. При цьому зменшується теплоперенесення з ядра плазми назовні. Попри те, що «менший транспорт» може звучати як недолік, у цьому випадку це означає, що більше тепла залишається в центральній частині плазми, підвищуючи потенціал синтезу.
Що показали вимірювання в DIII-D
Щоб простежити за змінами всередині токамака, дослідники використали діагностичний інструмент термоядерних установок під назвою ефект рухомого Штарка (Motional Stark Effect, MSE). У DIII-D цей метод працює так: у плазму вводять пучок нейтральних атомів дейтерію та вимірюють, як змінне магнітне поле плазми впливає на поляризацію випромінюваного світла.
За допомогою MSE вчені зафіксували зміну так званого безпекового фактора (safety factor) — величини, що описує, як лінії магнітного поля обвивають тор у довгому (тороїдальному) та короткому (полоїдальному) напрямках. Ці лінії утворюють гвинтову структуру, яка «замикає» плазму всередині гарячого магнітного «бублика», і безпековий фактор є ключовим параметром для аналізу її стабільності.
Дослідники виміряли приблизно 5-відсоткову зміну безпекового фактора за 20 мілісекунд. Вони інтерпретують це як свідчення зональних струмів, зумовлених модами Альфвена, і зазначають, що результат узгоджується з «грубими оцінками» теоретичних моделей.
Загалом висновок виявився доволі неочікуваним: нестабільності, які вважалися руйнівними для термоядерного синтезу, можуть саморегулюватися після досягнення певного енергетичного порогу та допомагати приборкувати турбулентність.
Що це означає для майбутніх реакторів
Отримані дані дають фізикам експериментальне підтвердження того, що процеси, пов’язані з модами Альфвена, можуть генерувати сили, які буквально «розривають» турбулентність у плазмі. Це допомагає токамаку працювати як ефективніша «піч», що краще утримує тепло для підтримання реакцій синтезу.
Водночас використати таку саморегульовану, «природно» керовану турбулентність у практичних енергетичних установках поки що не вдається — це завдання майбутніх досліджень і розробок. Проте результати DIII-D окреслюють дуже перспективний напрям для оптимізації проєктів термоядерних реакторів.
Робота опублікована в журналі Physical Review Letters. Більше про контекст дослідження та роботу токамаків можна дізнатися у відео за посиланням на популярний науковий ролик на платформі YouTube.
Плазмові нестабільності в токамаках виявилися корисними для термоядерного синтезу з’явилася спочатку на Цікавості.
