Международная группа исследователей открыла способ управления размером нестабильности в плазме термоядерных реакторов. Большие нестабильности могут повредить реактор, а небольшие нестабильности могут оказаться полезными для удаления отработанного гелия из плазмы. Таким образом, это открытие может стать важным руководством для работы крупномасштабных термоядерных реакторов.
Слияние ядер водорода в удерживаемой магнитным полем плазме может дать огромное количество экологически чистой энергии. Однако управление сверхгорячей плазмой остается серьезной проблемой.
В токамаках-реакторах в форме пончика, наиболее широко используемых в современных термоядерных экспериментах, плазма удерживается сильными магнитными полями. Это создает резкие градиенты давления между краем плазмы и стенками реактора. Если градиент давления на краю слишком велик, это может привести к неустойчивости, называемой краевыми локализованными модами (ELM). Они испускают взрывы частиц и энергии, которые могут нанести серьезный ущерб стенкам реактора.
Это последнее исследование было проведено под руководством Георг Харрер в Техническом университете Вены. Чтобы изучить условия, в которых создаются ELM, команда провела эксперименты на токамаке ASDEX Upgrade в Институте физики плазмы им. Макса Планка в Германии.
Повышение плотности плазмы
Они обнаружили, что больших ELM можно избежать, увеличив плотность плазмы, в результате чего меньшие ELM возникают чаще. Помимо того, что они наносят меньший ущерб, небольшие ELM могут помочь удалить из плазмы отработанный гелий.
Рекордный результат JET и поиски термоядерной энергии
Команда также обнаружила, что при высокой плотности плазмы появление ELM можно контролировать, регулируя топологию силовых линий магнитного поля, ограничивающих плазму. В токамаке эти силовые линии спирально наматываются вокруг плазмы, а это означает, что силы, которые они передают, меняются в направлении относительно градиентов давления. В некоторых областях плазмы силы действуют против нестабильности, тогда как в других областях силы способствуют нестабильности. Этот компромисс можно охарактеризовать порогом нестабильности, который определяет минимальный градиент давления, необходимый для создания ELM.
Харрер и его коллеги обнаружили, что увеличение спиральной намотки магнитного поля повышает порог нестабильности и, следовательно, снижает производство ЭЛМ. Также увеличение магнитного сдвига на краю плазмы приводило к большему порогу неустойчивости. Магнитный сдвиг — это угол между двумя пересекающимися силовыми линиями магнитного поля.
Использование плазмы с большим градиентом давления увеличивает прирост энергии термоядерного синтеза в термоядерном реакторе, при этом компромиссом является растущий риск повреждения ELM. Однако небольшие ELM могут оказаться полезными для удаления отработанного гелия. В результате эти явления должны быть точно сбалансированы, чтобы оптимизировать работу будущих термоядерных реакторов. Это последнее исследование дает важную информацию о том, как это можно сделать.
Команда сообщает о своих выводах в Physical Review Letters,.
