Ученые раскрыли загадку турбулентности в плазме, приблизившись к управляемому термоядерному синтезу

Долгое время в исследованиях термоядерного синтеза существовала нерешенная загадка: почему компьютерные модели часто недооценивают турбулентность на границе плазмы в токамаках. Теперь ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили новую теоретическую модель, которая может объяснить этот феномен.

Исследователи Миньюнь Цао и Патрик Даймонд обнаружили, что нестабильности на внешней границе плазмы, ранее игнорировавшиеся учеными, являются ключевым источником расхождений между расчетами и реальными наблюдениями. Эти «граничные эффекты» могут влиять на поведение плазмы, и их учет способен улучшить методы удержания плазмы, что критически важно для создания устойчивых термоядерных реакторов.

Токамаки — тороидальные установки, использующие магнитные поля для удержания высокоэнергетической плазмы. Однако существующие модели плохо предсказывают ширину турбулентной зоны между ядром и краем плазмы. Цао и Даймонд предположили, что причина кроется в неучтенных граничных нестабильностях.

«С самого начала высказывались предположения, что распространение турбулентности внутрь плазмы может влиять на переходную зону между краем и ядром, но механизм этого процесса оставался загадкой«, — пишут ученые. Недавние эксперименты показали, что вблизи границы плазмы возникают так называемые «сгустки» (blobs) и «пустоты» (voids), которые могут играть ключевую роль.

В идеальных условиях токамак поддерживает четкий градиент температуры и плотности плазмы на границе. Однако в реальности плазма часто подвергается «релаксации градиента», при которой ее край распадается на движущиеся наружу «сгустки» и направленные внутрь «пустоты». Если «сгустки» изучались давно из-за их взаимодействия со стенками реактора, то «пустоты» до недавнего времени оставались малоисследованными.

Разработав модель, рассматривающую «пустоты» как когерентные частицеподобные структуры, ученые выяснили, что при движении внутрь плазмы они генерируют дрейфовые волны. Эти волны, подобные электромагнитному излучению заряженных частиц, способны усиливать локальную турбулентность. Согласно расчетам, именно дрейфовые волны расширяют турбулентный слой сильнее, чем предсказывали предыдущие модели.

Новая модель, по словам авторов, «может помочь решить проблему расхождений и объяснить сильную турбулентность в переходной зоне«. В настоящее время Цао и Даймонд продолжают исследования, сравнивая теоретические прогнозы с экспериментальными данными.

Если их выводы подтвердятся, это открытие позволит усовершенствовать конструкцию будущих токамаков и приблизит человечество к созданию практического источника термоядерной энергии.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Запись Ученые раскрыли загадку турбулентности в плазме, приблизившись к управляемому термоядерному синтезу впервые опубликована на сайте Про технологии.