В течение многих лет исследования термоядерного синтеза сталкивались с неразрешимой проблемой: компьютерные модели зачастую давали заниженные оценки турбулентности на границе плазмы в токамаках. Недавно ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили новую теоретическую модель, способную объяснить это явление.
Миньюнь Цао и Патрик Даймонд выявили, что ранее не учитываемые учеными нестабильности на границе плазмы играют важную роль в возникновении расхождений между теоретическими моделями и фактическими результатами. Учет этих «граничных эффектов», способных оказывать влияние на поведение плазмы, может повысить эффективность методов удержания плазмы, что необходимо для разработки надежных термоядерных реакторов.
Токамаки представляют собой тороидальные устройства, в которых магнитные поля используются для удержания плазмы с высокой энергией. Тем не менее, существующие модели неточно прогнозируют ширину турбулентной области, расположенной между ядром и краем плазмы. Цао и Даймонд высказали предположение, что причиной этого является игнорирование граничных нестабильностей.
«Изначально предполагалось, что турбулентность, проникающая в плазму, способна воздействовать на переходную область между краем и ядром, однако конкретный механизм этого влияния оставался неясным «, — ученые отмечают, что вблизи границы плазмы наблюдаются «сгустки» (blobs) и «пустоты» (voids), которые, возможно, играют важную роль. Недавние эксперименты это подтвердили.
В оптимальных условиях токамак обеспечивает стабильный градиент температуры и плотности плазмы у границы. Однако на практике плазма нередко испытывает «релаксацию градиента», характеризующуюся распадом ее края на движущиеся наружу «сгустки» и направленные внутрь «пустоты». Взаимодействие «сгустков» со стенками реактора изучалось достаточно давно, в то время как «пустоты» до недавнего времени оставались предметом ограниченного исследования.
Созданная модель, в которой «пустоты» интерпретируются как структурированные образования, схожие с частицами, позволила ученым установить, что при проникновении внутрь плазмы они порождают дрейфовые волны. Эти волны, аналогичные излучению, генерируемому заряженными частицами, могут увеличивать локальную турбулентность. Результаты расчетов показывают, что дрейфовые волны оказывают более значительное влияние на расширение турбулентного слоя, чем это было спрогнозировано в предыдущих моделях.
Новая модель, по словам авторов, «может помочь решить проблему расхождений и объяснить сильную турбулентность в переходной зоне «. В настоящее время Цао и Даймонд ведут дальнейшие исследования, сопоставляя теоретические прогнозы с результатами экспериментов.
В случае подтверждения полученных результатов, это открытие позволит улучшить конструкцию будущих токамаков и ускорит создание практического источника термоядерной энергии.
Исследование в журнале Physical Review Letters.