3 октября 2022
Атомная энергия 2.0

Принстонские физики совершили прорыв в области магнитного удержания плазмы

Elle Starkman/PPPL Докторант PPPL Мин-Гу Ю со слайдами из его научной работы Elle Starkman/PPPL

Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) предположили, что образование "холмов и долин" в линиях магнитного поля может быть источником внезапных тепловых коллапсов, предшествующих сбоям, которые могут повредить термоядерные установки типа “токамак”. Их открытие может помочь преодолеть важнейшую проблему, стоящую перед такими установками.

В исследовании, опубликованном в июле в журнале Physics of Plasmas, коллапс был вызван трехмерным рассогласованием сильных магнитных полей, используемых для удержания горячего заряженного плазменного газа. 

"Мы предложили новый способ понимания [неупорядоченных] линий поля, которые обычно игнорировались или плохо моделировались в предыдущих исследованиях", - сказал Мин-Гу Ю, докторант PPPL и ведущий автор работы.

Термоядерный синтез - это процесс, который питает Солнце и звезды, когда атомы водорода сливаются вместе, образуя гелий, и материя преобразуется в энергию. Захват этого процесса на Земле может создать чистый, безуглеродный и практически неисчерпаемый источник энергии для выработки электричества, однако он сопряжен со многими инженерными трудностями: в звездах мощные гравитационные силы создают необходимые условия для термоядерного синтеза. На Земле таких условий достичь гораздо сложнее.

Вместо огромной гравитации, которая удерживает термоядерные реакции на небесных телах, в установке, известной как токамак, для удержания горячей плазмы, в которой происходит термоядерная реакция, можно использовать сильные магнитные поля. Но в лабораторных экспериментах, когда линии магнитного поля становятся неупорядоченными из-за нестабильности плазмы, сверхгорячее тепло плазмы может быстро вырваться наружу, повредив токамак.

"В случае серьезного сбоя линии поля становятся полностью [неупорядоченными], как спагетти, и быстро соединяются со стенкой с очень разной длиной", - говорит физик-исследователь Вейксинг Ванг, соавтор статьи, - "Это приносит огромную тепловую энергию плазмы на стенки токамаков".

Команда PPPL изучила трехмерную топологию беспорядочных линий поля, вызванных турбулентной неустойчивостью, и обнаружила, что они образуют крошечные "холмы" и "долины". Некоторые частицы оказываются запертыми в "долинах" и не могут выбраться из заточения, в то время как другие скатываются с "холмов" и ударяются о стены установки.

"Существование этих холмов ответственно за быстрый температурный коллапс, так называемое тепловое гашение, поскольку они позволяют большему количеству частиц вырваться на стенку токамака", - сказал Мин-Гу Ю, - "Мы показали в статье, как нарисовать хорошую карту для понимания топологии линий поля. Без магнитных холмов большинство электронов оказались бы в ловушке и не смогли бы вызвать тепловое гашение, наблюдаемое в экспериментах".

Исследование дает новое физическое представление о том, как плазма теряет свою энергию по направлению к стенке при наличии открытых линий магнитного поля, и поможет найти инновационные способы смягчения или предотвращения теплового гашения и разрушения плазмы в будущем, говорит Мин-Гу Ю.

Атомная энергия 2.0: свежие публикации

Научный портал «Атомная энергия 2.0» – самое крупное и наиболее посещаемое в Российской Федерации и странах СНГ прогрессивное цифровое СМИ атомной отрасли, выходящее в сотрудничестве со многими научно-производственными, деловыми, государственными, образовательными, общественными и экологическими организациями с 2008 года. 

 

«Атомная энергия 2.0» развивается в виде открытой семантической системы управления ядерными знаниями и популяризирует ядерные, термоядерные, водородные, радиационные и экологические технологии и инновации в России и мире.