В течение длительного времени исследования термоядерного синтеза сталкивались с непонятной проблемой: компьютерные модели зачастую недооценивали турбулентность на границе плазмы в токамаках. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новую теоретическую модель, которая может объяснить это явление.
Минюнь Цао и Патрик Даймонд выяснили, что нестабильности на внешней границе плазмы, прежде пренебрегавшиеся учеными, являются основной причиной расхождений между расчетными данными и фактическими наблюдениями. Данные «граничные эффекты» способны влиять на поведение плазмы, а их учет может повысить эффективность методов удержания плазмы, что крайне важно для создания устойчивых термоядерных реакторов.
Токамаки — это тороидальные установки, которые применяют магнитные поля для удержания высокоэнергетической плазмы. Но существующие модели плохо предсказывают ширину турбулентной зоны между ядром и краем плазмы. Цао и Даймонд полагают, что причина кроется в неучтенных граничных нестабильностях.
«Сначала предполагали, что рост турбулентности внутри плазмы влияет на границу между её периферией и центром, но работающий механизм оставался неизвестен. Ученые утверждают, что недавние эксперименты демонстрируют образование «сгустков» (blobs) и «пустот» (voids) возле границы плазмы, что может быть решающим фактором.
В идеальных условиях токамак формирует ясный градиент температуры и плотности плазмы на периферии. В реальных же условиях плазма часто переживает «релаксацию градиента», при которой край распадается на движущиеся наружу фрагменты и направленные внутрь пустоты. Фрагменты изучались давно из-за взаимодействия со стенками реактора, а пустоты до недавнего времени оставались малоизученными.
Разработав модель, которая рассматривает «пустоты» как когерентные частицеподобные структуры, учёные выяснили, что при движении внутрь плазмы эти структуры генерируют дрейфовые волны. Такие волны, подобные электромагнитному излучению заряженных частиц, способны усиливать локальную турбулентность. Расчёты показывают, что именно дрейфовые волны расширяют турбулентный слой сильнее, чем предсказывали предыдущие модели.
Новая модель, по словам авторов, «Может помочь разрешить противоречия и прояснить сильное турбулентное состояние в переходной зоне. Цао с Даймондом ведут исследования, сопоставляя теоретические выкладки с результатами экспериментов.
Подтверждение этих выводов позволит улучшить проектирование будущих токахмаков и приблизит человечество к практическому термоядерному источнику энергии.
Исследование в журнале Physical Review Letters.