Плазма в реакторе ведет себя неслучайно: физики в США разрешили многолетнюю загадку тепловой нагрузки в термоядерных реакторах
Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) обнаружили важный фактор, который влияет на поведение плазмы в диверторе термоядерного реактора. Как показала работа, именно вращение плазменного ядра играет ключевую роль в том, как частицы распределяются в области дивертора — узла, отвечающего за отвод тепла и частиц из токамака.
В токамаке плазма удерживается магнитными полями. Часть частиц со временем покидает магнитно удерживаемое ядро и направляется к дивертору, который выполняет функцию своеобразной «выхлопной системы». Там частицы сталкиваются с металлическими пластинами, охлаждаются и частично возвращаются обратно в систему. Однако эксперименты давно показывали странную особенность: гораздо больше частиц попадает на внутреннюю мишень дивертора, чем на внешнюю.
До сих пор это не удавалось полноценно объяснить. Основной версией были поперечные дрейфы внутри дивертора — движение частиц поперек магнитных линий. Но компьютерные модели, в которых учитывался только этот механизм, не могли воспроизвести ту степень асимметрии, которую наблюдали в реальных установках.
Чтобы разобраться в причине, команда под руководством Эрика Эмди проанализировала данные токамака DIII-D в Калифорнии. Ученые протестировали четыре сценария: модели с учетом и без учета поперечных дрейфов, а также с учетом и без учета вращения плазмы.
Результат оказался показательным: симуляции совпали с экспериментальными данными только тогда, когда в них включали измеренное вращение ядра плазмы со скоростью 88,4 километра в секунду. Это тороидальное вращение создает поток частиц вдоль магнитных линий, и именно он, как выяснилось, влияет на асимметрию не меньше, чем поперечные дрейфы.
По словам исследователей, новая работа показывает, что параллельный поток, вызванный вращающимся ядром, столь же важен, как и поперечное движение частиц, которое раньше считалось главным объяснением. Более того, наибольший эффект возникает именно из-за взаимодействия обоих механизмов, а не из-за одного из них по отдельности.
Это имеет прямое значение для разработки будущих термоядерных электростанций. Если инженеры смогут точнее предсказывать, где именно будут сосредоточены частицы и тепловые потоки, они смогут проектировать диверторы, способные выдерживать реальные рабочие нагрузки без повреждений. Иными словами, исследование дает более надежную основу для создания компонентов, от которых напрямую зависит жизнеспособность коммерческой термоядерной энергетики.