Исследовательская группа под руководством доцента Масахиро Кобаяси из японского Национального института термоядерного синтеза (NIFS) в Токи (префектура Гифу) обнаружила, что в большом спиральном устройстве (LHD), когда особым образом генерируются флуктуации в удерживающем плазму магнитном поле, в плазме распространяется турбулентность и значительно снижается тепловая нагрузка на внутренние стенки устройства.
Эксперимент японских ученых-термоядерщиков открыл новые возможности для контроля турбулентности и тепловой нагрузки, что считается ключевой задачей в получении термоядерной энергии. Об этом сообщает научный портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Для получения термоядерной энергии необходимо удерживать плазму в магнитном поле и поддерживать центральную температуру плазмы выше 100 миллионов градусов Цельсия. С другой стороны, для уменьшения тепловой нагрузки на внутренние стенки устройства температуру плазмы вблизи стенок необходимо поддерживать как можно более низкой. Разность требуемой температуры (градиент) такой плазмы чрезвычайно велика – несколько миллионов градусов на сантиметр.
Столь большой градиент делает более вероятным появление в плазме турбулентности (т. е. течения с завихрениями), которая «взбалтывает» плазму, заставляя удерживаемое тепло легче улетучиваться и снижая центральную температуру плазмы. Поэтому вопрос контроля тепловой нагрузки и турбулентности является ключом к получению термоядерной энергии.
Однако механизм распространения турбулентности в плазме до сих пор мало выяснен. Традиционно для снижения тепловой нагрузки на внутренние стенки устройства используется способ охлаждения плазмы вблизи стенок за счет введения примесей. Но у этого метода есть много проблем, а прежде всего – то, что центральная плазма также охлаждается.
Исследовательская группа под руководством Масахиро Кобаяши, профессоров Кэндзи Танака и Кацуми Ида из NIFS провела эксперименты по разработке структуры магнитного поля в LHD для одномоментного создания области, в которой градиенты температуры и плотности плазмы достигли заданных параметров (соответственно, максимума и минимума).
В результате ученые добились, чтобы турбулентность генерировалась в области с наибольшим градиентом и оставалась на одном и том же месте, не распространяясь. В это время вытекающее из плазмы тепло концентрировалось в узкой области, а принимающая это тепло диверторная (теплоприемная) пластина подвергалась чрезвычайно большой локальной нагрузке.
Ученые провели эксперимент по генерации флуктуаций магнитного поля в том месте, где в плазме сохранялась турбулентность, и обнаружили, что та распространяется наружу. При этом нагрузка на теплопринимающую пластину была широко рассредоточена, а пиковая тепловая нагрузка составляла около четверти от таковой без учета флуктуаций магнитного поля.
Экспериментом также было подтверждено, что центр плазмы оставался при этом в состоянии высокой температуры и высокой плотности. Таким образом, путем флуктуации магнитного поля было обнаружено, что тепловую нагрузку, направленную вовне, можно уменьшить за счет распространения турбулентности при сохранении высокой центральной температуры и плотности плазмы.
Доцент Кобаяши отмечает: «Этот результат демонстрирует, что стал доступен совершенно новый метод (о котором ранее не было известно) управления турбулентностью, создаваемой в плазме, и тепловой нагрузкой на внутренние стенки устройств. Это открыло возможность решения сложной проблемы снижения тепловой нагрузки. В будущем мы намерены расширить эти результаты, чтобы создать на их основе новый метод управления термоядерной реакцией».