Ученые из Санкт‑Петербургского политехнического университета Петра Великого и Физико‑технического института имени А. Ф. Иоффе впервые в мире изучили, как ведет себя электрическое поле и с какой скоростью вращается плазма во время коротких всплесков активности — периферийных локализованных мод (ELM). Такие всплески неизбежно появляются при работе термоядерных установок.
Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ, исследователи выяснили, как в краевой плазме перераспределяются энергия, ток и электрическое поле. При неблагоприятном раскладе плазма может повредить стенки реактора. Исследование механизмов этих процессов необходимо на пути к надежной термоядерной энергетике. Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале Physics of Plasmas, а само исследование было поддержано грантом РНФ.
В токамаке плазма удерживается магнитным полем и напоминает очень горячую среду, в которой постоянно возникают колебания, потоки и неустойчивости. Одна из самых важных неустойчивостей называется периферийными локализованными модами, или ELM (от английского edge‑localized modes).
Чтобы термоядерный синтез работал эффективно, плазма должна находиться в особом состоянии — так называемом H‑режиме, или режиме улучшенного удержания. В этом режиме на краю плазмы появляется своего рода невидимый барьер — он работает как стенка и не дает теплу выходить наружу. Но из‑за большой разницы давления на этом барьере время от времени происходят срывы — как раз те самые периферийные локализованные моды. Их можно представить в виде предохранительного клапана: они периодически выпускают излишки энергии и примесей, чтобы плазма не вышла из‑под контроля. Однако если такие «сбросы» оказываются слишком мощными, удар по стенкам камеры может серьезно повредить всю установку.
Раньше ученые считали опасными только крупные периферийные локализованные моды (ELM), а малые — наоборот, воспринимали как почти идеальный вариант для работы термоядерной установки. При таких малых всплесках плазма хорошо удерживается, и разрушительных крупных выбросов энергии не происходит.
Однако исследователи из Санкт‑Петербургского политехнического университета Петра Великого и Физико‑технического института имени А. Ф. Иоффе провели эксперименты на сферическом токамаке «Глобус‑М2» и впервые в мире выяснили: даже малые ELM сильно меняют структуру периферийной области плазмы — то есть перестраивают ее довольно глубоко.
Эксперименты показали, что вовремя ELM резко растут температура и концентрация плазмы в приграничной области, заметно изменяются токи в области вне плазмы, происходит перенос и ускорение быстрых ионов, а также потери надтепловых электронов, формируются плазменные филаменты. Было показано, что скорость вращения плазмы возрастает во время ELM, причем эффект распространяется на несколько сантиметров внутрь плазмы, а не ограничивается узким слоем развития ELM, как считалось ранее. И все это происходит за микросекунды, то есть чрезвычайно быстро. По отдельности малые ELM выглядят безобидно, но вместе формируют интенсивную и сложную динамику периферии плазмы. Малые ELM — это не просто ослабленные всплески, а самостоятельный динамический режим, в котором периферия плазмы живет по своим быстрым и сложным законам.
По результатам измерений выяснилось, что температура электронов в приграничной области во время ELM увеличивается до 5 раз, концентрация возрастает примерно в 2 раза, скорость вращения плазмы увеличивается примерно на 50% на глубине до нескольких сантиметров, быстрые ионы регистрируются с энергией на 6 кэВ выше энергии инжекции, филаменты движутся со скоростью 3−10 км/с.
Практическая значимость полученных результатов для будущего мировой термоядерной энергетики огромна, так как они дают более реалистичное понимание нагрузок на стенки термоядерных установок. Будущие термоядерные реакторы должны работать долго и непрерывно, а не в виде коротких экспериментальных импульсов. Режимы с малыми ELM считаются основными кандидатами для такого режима. Кроме этого, получены уникальные данные о поведении параметров плазмы во время ELM, в частности, скорости вращения, которая была измерена впервые в мире. Это помогает перейти от эмпирического подбора режимов работы к осознанному управлению и снижает риск неожиданных эффектов при масштабировании от экспериментальных установок к реактору. Результаты помогут сделать будущий термоядерный реактор не просто работоспособным, а надежным, предсказуемым и экономически оправданным.
Исследования выполнены за счет гранта РНФ № 23−72−00024 с использованием Федерального центра коллективного пользования «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» ФТИ им. А.Ф. Иоффе, включающего Уникальную научную установку «Сферический токамак Глобус-М».
Ранее Наука Mail рассказывала о том, кто первым зажжет термоядерную электростанцию.
