Поведение плазмы на периферии термоядерной установки
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе впервые в мире исследовали поведение электрического поля и определили скорость вращения плазмы во время периферийных локализованных мод (ELM) — быстрых и коротких всплесков активности, которые неизбежно возникают во время работы термоядерных установок. Изучение механизмов этих процессов необходимо на пути к надежной термоядерной энергетике.
В токамаке плазма удерживается магнитным полем и напоминает очень горячую среду, в которой постоянно возникают колебания, потоки и неустойчивости. Одной из самых важных неустойчивостей являются периферийные локализованные моды, или ELM (Edge localized modes). Для эффективного термоядерного синтеза плазма в токамаке должна находиться в так называемом H-режиме (режиме улучшенного удержания). В этом состоянии на краю плазмы формируется невидимый барьер, который как стенка удерживает тепло внутри. Однако из-за огромной разницы давления на этом барьере периодически случаются срывы — периферийные локализованные моды. Их можно сравнить с предохранительным клапаном: они периодически стравливают излишки энергии и примесей, не давая плазме выйти из-под контроля. Но если этот клапан срабатывает слишком сильно, удар по стенкам камеры может быть разрушительным для всей установки.
Авторы провели эксперименты на сферическом токамаке «Глобус-М2» в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и впервые в мире определили, как периферийные локализованные моды перестраивают всю периферийную область плазмы.
«Эксперименты показали, что во время ELM резко растут температура и концентрация плазмы в приграничной области, заметно изменяются токи в области вне плазмы, происходит перенос и ускорение быстрых ионов, а также потери надтепловых электронов, формируются плазменные филаменты. Было показано, что скорость вращения плазмы возрастает во время ELM, причем эффект распространяется на несколько сантиметров внутрь плазмы, а не ограничивается узким слоем развития ELM, как считалось ранее. И все это происходит за микросекунды, то есть чрезвычайно быстро. По отдельности малые ELM выглядят безобидно, но вместе формируют интенсивную и сложную динамику периферии плазмы», — рассказал один из авторов статьи, лаборант-исследователь Научной лаборатории перспективных методов исследования плазмы сферических токамаков Физико-механического института СПбПУ Арсений Токарев.
Ученые установили, что малые ELM — это не просто ослабленные всплески, а самостоятельный динамический режим, в котором периферия плазмы живет по своим быстрым и сложным законам. Температура электронов в приграничной области во время ELM увеличивается до 5 раз, концентрация возрастает примерно в 2 раза, скорость вращения плазмы увеличивается примерно на 50 % на глубине до нескольких сантиметров, быстрые ионы регистрируются с энергией на 6 кэВ выше энергии инжекции, филаменты движутся со скоростью 3–10 км/с.
«Практическая значимость полученных результатов для будущего мировой термоядерной энергетики огромна, так как они дают более реалистичное понимание нагрузок на стенки термоядерных установок. Будущие термоядерные реакторы должны работать долго и непрерывно, а не в виде коротких экспериментальных импульсов. Режимы с малыми ELM считаются основными кандидатами для такого режима. Кроме этого, получены уникальные данные о поведении параметров плазмы во время ELM, в частности, скорости вращения, которая была измерена впервые в мире. Это помогает перейти от эмпирического подбора режимов работы к осознанному управлению и снижает риск неожиданных эффектов при масштабировании от экспериментальных установок к реактору», — отметил еще один участник исследования, заведующий научной лабораторией «Диагностика высокотемпературной плазмы» Физико-механического института СПбПУ, кандидат физико-математических наук Александр Яшин.
Исследователи надеются, что полученные результаты помогут сделать будущие термоядерные реакторы не просто работоспособными, а надежными, предсказуемыми и экономически оправданными.
Исследования выполнено за счет гранта РНФ.
Источник: Пресс –служба Минобрнауки России