Физики из США разгадали многолетнюю загадку тепловой нагрузки в термоядерных реакторах

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) выявили значимый фактор, влияющий на поведение плазмы в диверторе термоядерного реактора. Согласно их исследованию, вращение ядра плазмы играет ключевую роль в распределении частиц в области дивертора — элемента, отвечающего за отвод тепла и частиц из токамака. В токамаке плазма удерживается при помощи магнитных полей. Со временем часть частиц выходит из удерживаемого магнитами ядра и направляется к дивертору, который выполняет функцию своеобразной "выхлопной системы". Здесь частицы сталкиваются с металлическими пластинами, охлаждаются и частично возвращаются в систему. Однако эксперименты давно показывали странную особенность: на внутреннюю мишень дивертора попадает значительно больше частиц, чем на внешнюю. До сих пор это явление не имело полного объяснения.

Основной гипотезой были поперечные дрейфы внутри дивертора — движение частиц поперек магнитных линий. Однако компьютерные модели, учитывающие только этот механизм, не могли воспроизвести степень асимметрии, наблюдаемую в реальных установках. Чтобы выяснить причину, 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. Результаты оказались показательными: симуляции совпадали с экспериментальными данными только при включении измеренного вращения ядра плазмы со скоростью 88,4 километра в секунду.

Это тороидальное вращение создает поток частиц вдоль магнитных линий, который, как выяснилось, влияет на асимметрию не меньше, чем поперечные дрейфы. По словам исследователей, новое исследование демонстрирует, что параллельный поток, вызванный вращением ядра, столь же важен, как и поперечное движение частиц, которое ранее считалось основным объяснением. Более того, наибольший эффект возникает именно из-за взаимодействия обоих механизмов, а не из-за одного из них по отдельности.

Это имеет непосредственное значение для разработки будущих термоядерных электростанций. Если инженеры смогут точнее предсказывать, где будут сосредоточены частицы и тепловые потоки, они смогут проектировать диверторы, способные выдерживать реальные рабочие нагрузки без повреждений. Таким образом, исследование предоставляет более надежную основу для создания компонентов, от которых напрямую зависит жизнеспособность коммерческой термоядерной энергетики.

Источник