Ученые из Принстонского университета разгадали тайну неравномерного распределения плазмы в токамаках. Ключом к разгадке стало влияние глобального тороидального вращения самого плазменного ядра. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Загадка термоядерного выхлопа
На протяжении многих лет инженеры-физики бились над загадочной аномалией, возникающей внутри токамаков — экспериментальных установок для магнитного термоядерного синтеза. Вырвавшиеся из активной зоны частицы раскаленной плазмы должны были равномерно попадать в выхлопную систему аппарата (дивертор). Однако на практике они всегда концентрировались на одной его стороне, угрожая расплавить дорогостоящие защитные пластины.
Это неравномерное распределение ставило под угрозу весь процесс проектирования будущих коммерческих реакторов. Долгое время физики полагали, что асимметрия вызвана исключительно поперечным дрейфом частиц сквозь магнитные силовые линии. Но компьютерные симуляции, учитывающие только этот одиночный фактор, раз за разом не совпадали с реальными физическими экспериментами, вызывая сомнения в правильности моделей.
Спасительное вращение
В новом исследовании физки наконец нашли недостающий элемент головоломки. Выяснилось, что решающую роль играет тороидальное вращение — глобальное круговое движение всего плазменного ядра внутри реактора. Именно этот параллельный поток разогнанных частиц в сочетании с поперечным дрейфом создает наблюдаемый дисбаланс в распределении колоссального тепла.
Чтобы доказать свою гипотезу, ученые использовали передовой программный код SOLPS-ITER для моделирования работы реального калифорнийского токамака DIII-D. Когда в цифровую симуляцию добавили фактическую скорость вращения ядра плазмы в 88,4 км/с, виртуальная картина теплового удара идеально совпала с экспериментальными замерами.
Точное понимание того, как направленное вращение плазмы влияет на потоки раскаленных частиц на периферии, кардинально меняет подход к инженерии. Теперь разработчики термоядерных электростанций смогут создавать более надежные и долговечные диверторы, способные выдерживать неравномерные нагрузки в условиях круглосуточной эксплуатации.
Ранее Наука Mail рассказывала, что ученые «Росатома» и МИФИ создали «умное» покрытие для термоядерных реакторов.
