Ученые узнали как стабилизировать плазму в реакторах слияния

Исследователи нашли способ поддерживать плазма в реакторах ядерного синтеза стабильной и предотвращать повышение температуры и плотности вверх и вниз.

Новые результаты представляют собой значительное развитие в поисках энергии ядерного синтеза, которая, по мнению многих, обеспечит неограниченную зеленую энергию, когда инженеры узнают, как использовать этот источник энергии.

Стабилизирующая плазма-плазма
Команда физиков из Лаборатории плазменной физики Университета штата Принстон в Принстонском университете в Форрестол-Кампусе в Нью-Джерси разработала симуляции механизма, который поддерживает стабильность плазмы плавления.

Плазма является одним из четырех состояний материи. Однако в нормальных условиях на Земле он не может существовать так свободно, как твердый, жидкий или газ. В звездах плазма, естественно, обильна, но на Земле это сверхнагретое желе высокозаряженных частиц образуется в реакторах слияния, таких как стеллараторы и пончики-токамаки.

Иногда плазма, обнаруженная в реакторах слияния, колеблется взад и вперед по температуре и плотности. Нестабильная зигзагообразная связь, в сочетании с другими событиями внутри реактора, вызывает реакцию на остановку и остановку целых операций.

Однако некоторые плазмы оказались очень стабильными. Они не показывают пилообразные колебания, которые создают турбулентность в другой плазме. Физики уже давно ищут этот непонятный механизм, который заставляет некоторые плазмы оставаться стабильными.

Ядерная енергия
Внутри ядра ядерных термоядерных реакторов ученые пытаются воспроизвести тот же процесс, который управляет звездами и водородными бомбами.

Этот процесс работает, когда супернагретые атомы водорода, взвешенные в плазменном крушении друг с другом, расщепляются на сильно заряженные ионы и электроны, которые сливаются с образованием гелия. Когда происходит слияние, атомы производят огромное количество тепла и энергии, которые потенциально могут быть использованы для выработки электроэнергии.

Небольшое количество жидкого водорода может генерировать столько электроэнергии, сколько 28 тонн угля, но без радиоактивных отходов, которые поставляются с ядерными реакторами деления, такими как Чернобыль и Фукусима.

Реактор ядерного синтеза содержит магнитное поле, которое ограничивает плазму, где происходят реакции слияния. Механизм, называемый откачкой магнитного потока, удерживает ток в центре плазмы. Это то, что удерживает некоторые плазмы достаточно стабильными, чтобы поддерживать реакцию.

Исследователи из PPPL, возглавляемые научным сотрудником по докторантам Изабель Кребс, успешно создали симуляции этого механизма с использованием кода M3D-C1 на компьютерах PPPL. Подробная информация о новом исследовании опубликована в журнале Physics of Plasmas.

Насос магнитного потока
Согласно моделированию, накачка магнитного потока может произойти в гибридных сценариях стандартных режимов. Это режим высокого конфайнмента (H-mode), где плазма стабильна и лучше замкнута, а режим низкого удержания (L-режим), где турбулентность заставляет плазму течь часть своей энергии. Механизм может также произойти в расширенных сценариях, где плазма работает в устойчивом состоянии.

В гибридном сценарии ток плазмы остается плоским в центре супа высокозарядного газа, а давление остается высоким. Эта комбинация создает так называемый режим квазиобмена.

Этот режим служит в качестве микшера. Он встряхивает плазму и искажает магнитное поле, которое затем генерирует мощный эффект, который удерживает ток плазмы в ее сердцевине. Это тот самый эффект, который удерживает температуры и плотность плазмы от катания назад и вперед.

Это также тот же механизм, с помощью которого Земля генерирует магнитное поле, которое защищает его от сильно заряженных частиц, вытекающих из Солнца. Жидким металлом в центре планеты является микшер.

Накачка магнитного потока является механизмом саморегулирования, о чем свидетельствуют симуляции. Если микшер становится слишком сильным, ток в плазме остается чуть ниже порога, который препятствует его ускорению.

Будущие приложения
«Этот механизм может представлять значительный интерес для будущих крупномасштабных экспериментов по слиянию, таких как ИТЭР», - говорит Кребс.

Исследователи предполагают, что операторы ИТЭР, самый амбициозный проект по ядерному синтезу в строительстве в Провансе, Франция, могут развивать перекачку магнитного потока, экспериментируя со временем нейтральной мощности пучка, которая нагревает плазму.