Использование энергии плазмы требует точного понимания ее поведения во время термоядерного синтеза, чтобы она оставалась горячей, плотной и стабильной. Новая теоретическая модель края плазмы, которая может стать нестабильной и выпуклой, приближает перспективу коммерческой термоядерной энергетики к реальности.

«Модель совершенствует подход к стабилизации края плазмы для токамаков различной формы», — сказал Джейсон Паризи, штатный физик-исследователь PPPL. Паризи — ведущий автор трёх статей с описанием модели, опубликованных в журналах Nuclear Fusion и Physics of Plasma. Основная статья посвящена части плазмы, называемой пьедесталом, которая расположена на краю. Пьедестал подвержен нестабильности, поскольку температура и давление плазмы в этой области часто резко падают.

Новая модель примечательна тем, что она первая соответствует поведению пьедестала, которое наблюдалось в Национальном эксперименте со сферическим тором (NSTX) Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE). В то время как обычные токамаки имеют форму пончиков, NSTX — один из нескольких токамаков, форма которых больше напоминает яблоко с сердцевиной. Разница в пропорциях токамака влияет на плазму и, как показывает модель, на пьедестал.

Раздувающаяся нестабильность

Паризи вместе с командой ученых исследовал пределы пьедесталов и исследовал, какое давление можно приложить к плазме внутри термоядерного реактора до того, как возникнет нестабильность. В частности, они изучали нарушения в пьедестале, называемые баллонной нестабильностью: выпуклости плазмы, которые выступают наружу, как конец длинного воздушного шара, когда его сжимают.

«Эта модель является расширением модели, которую люди использовали в полевых условиях около 10 лет, но мы сделали расчет устойчивости к раздуванию намного более сложным», — сказал Паризи.

Чтобы разработать свою модель, ученые изучили взаимосвязь между размерами пьедестала — высотой и шириной — и нестабильностью раздувания. Паризи сказал, что новая модель подошла с первой попытки. «Я был удивлен тем, насколько хорошо она работает. Мы пытались сломать модель, чтобы убедиться в ее точности, но она очень хорошо соответствует данным», — сказал он.

Расширение модели EPED

Известно, что существующая модель, известная как EPED, работает для токамаков пончиковой формы, но не для сферических. «Мы решили попробовать, и, просто изменив одну часть EPED, теперь он работает очень хорошо», — сказал Паризи. Результаты также дают исследователям более четкое представление о контрасте между двумя конструкциями токамаков.

«Конечно, существует большая разница между границей стабильности для токамака в форме яблока и токамака стандартной формы, и наша модель теперь может в некоторой степени объяснить, почему существует эта разница», — сказал он. Результаты могут помочь минимизировать нарушения плазмы.

Токамаки предназначены для повышения давления и температуры плазмы, но нестабильность может помешать этим усилиям. Если плазма выпирает и касается, например, стенок реактора, она может со временем разрушить стенки.

Нестабильности также могут излучать энергию из плазмы. Знание того, насколько крутым может быть пьедестал до того, как возникнет нестабильность, может помочь исследователям найти способы оптимизации плазмы для реакций термоядерного синтеза на основе пропорций токамака.

Хотя он добавил, что пока неясно, какая форма более выгодна, модель предполагает другие эксперименты, которые попытаются использовать положительные аспекты формы яблока и посмотреть, какую пользу они могут принести.

По сути, новая модель расширяет наше понимание пьедесталов и приближает ученых к достижению великой цели — разработке термоядерного реактора, который генерирует больше энергии, чем потребляет.

Форма плазмы и измерения пьедестала

Вторая статья Паризи в этой серии исследует, насколько хорошо модель EPED согласуется с высотой и шириной пьедестала для различных форм плазмы.

«Давление термоядерного синтеза вашего ядра и, следовательно, ваша мощность очень чувствительны к тому, насколько высок ваш пьедестал. И поэтому, если нам предстоит исследовать различные формы будущих термоядерных устройств, мы определенно хотим убедиться, что наши прогнозы сработают», — сказал он.

Паризи начал со старых данных экспериментальных разрядов в NSTX, а затем изменил форму края плазмы. Он обнаружил, что изменение формы очень сильно повлияло на соотношение ширины и высоты постамента. Кроме того, Паризи обнаружил, что некоторые формы могут привести к созданию нескольких возможных пьедесталов — особенно в токамаках в форме NSTX и его потомка, который в настоящее время модернизируется, NSTX-U. Это дало бы тем, кто занимается термоядерным синтезом, выбор, например, между крутым или пологим постаментом.

«Когда люди придумали эти модели пьедесталов, они пытались предсказать ширину и высоту пьедестала, потому что это может значительно изменить количество генерируемой термоядерной энергии, и мы хотим быть точными», — сказал Паризи. «Но то, как модели строятся на данный момент, учитывает только стабильность плазмы».

Отопление, заправка и постаменты

Отопление и заправка топливом являются другими важными факторами, которые исследуются в третьей статье Паризи . В частности, Паризи посмотрел на определенные пьедесталы и определил количество нагрева и подпитки, необходимое для достижения этой цели с учетом конкретной формы плазмы. Например, крутой постамент обычно требует гораздо большего нагрева, чем, например, неглубокий.

В статье также рассматривается, как сдвиговый поток, который возникает, когда соседние частицы движутся с разными скоростями потока, может повлиять на высоту и ширину пьедестала. Предыдущие эксперименты в NSTX показали, что когда часть внутренней части сосуда была покрыта литием и сдвиг потока был сильным, пьедестал становился в три-четыре раза шире, чем без добавления лития.

«Похоже, что пьедестал сможет продолжать расти», — сказал Паризи. «Если бы у вас была плазма в токамаке , состоящем исключительно из пьедестала, и если бы градиенты были действительно крутыми, вы бы получили действительно высокое давление в ядре и действительно высокую мощность термоядерного синтеза».

Понимание переменных, связанных с получением стабильной, мощной плазмы, приближает исследователей к их конечной цели — коммерциализации термоядерной энергии.

«Эти три статьи действительно важны для понимания физики сферических токамаков и того, как давление плазмы организуется в эту структуру, где оно резко возрастает на краях и поддерживает высокое давление в ядре. Если мы не поймем этот процесс, мы не сможем» Я с уверенностью проектирую будущие устройства, и эта работа имеет большое значение для достижения этой уверенности», — сказал заместитель директора по исследованиям NSTX-U и соавтор статей Джек Беркери.