Как кастрюля с крышкой решают одну из главных проблем термоядерных исследований
Плазменная нестабильность ELM типа I может расплавить стенки термоядерных устройств. Группа исследователей из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) и Венского технологического университета (TU Wien) нашла способ взять их под контроль. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Слева: поперечное сечение сепаратрисы высокой (сплошная) и низкой (штриховая) временных точек l HFS→LFS . l HFS→LFS — это длина линии поля, протянувшейся от LFS до промежуточной плоскости HFS. Полоидальная проекция l HFS→LFS показана красной стрелкой.
Справа: временная эволюция l HFS → LFS и коэффициент безопасности при потоке 95% для трех разрядов.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.165001
Ядерные термоядерные электростанции однажды смогут обеспечить устойчивое решение наших энергетических проблем. Именно поэтому во всем мире ведутся исследования этого способа получения энергии, имитирующего процессы на Солнце. Чтобы принцип работал на Земле, плазма должна быть нагрета как минимум до 100 миллионов градусов Цельсия в реакторах. Магнитные поля окружают плазму так, что стенки реактора не плавятся. Это работает только потому, что крайние сантиметры края плазмы, сформированного магнитным полем, чрезвычайно хорошо изолированы. Однако в этой области часто возникают плазменные неустойчивости, так называемые краевые локализованные моды (ELM). Во время такого события энергичные частицы из плазмы могут удариться о стенку реактора, потенциально повреждая ее.
Исследователи из Института физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в Гархинге и Венского технологического университета смогли показать: существует режим работы термоядерных реакторов, позволяющий избежать этой проблемы. Вместо больших, потенциально разрушительных нестабильностей намеренно принимается множество мелких нестабильностей, которые не представляют проблемы для стенки реактора.
«Наша работа представляет собой прорыв в понимании возникновения и предотвращения крупных ELM типа I», — говорит Элизабет Вольфрум, руководитель исследовательской группы IPP в Гархинге, Германия, и профессор Технического университета Вены. «Предлагаемый нами режим работы, вероятно, является наиболее многообещающим сценарием для будущей плазмы термоядерных электростанций». Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters .
Ренессанс забытого режима работы
В термоядерном реакторе тороидального токамака частицы сверхгорячей плазмы движутся с высокой скоростью. Мощные магнитные катушки гарантируют, что частицы останутся запертыми, а не ударятся о стенки реактора с разрушительной силой. «Однако идеально изолировать плазму от стенок реактора тоже не нужно; в конце концов, нужно добавить новое топливо и удалить гелий, образовавшийся во время синтеза», — объясняет Фридрих Аумайр, профессор физики ионов и плазмы. в Институте прикладной физики Технического университета Вены в Вене, Австрия.
Детали динамики внутри реактора сложны: движение частиц зависит от плотности плазмы, температуры и магнитного поля . В зависимости от выбора этих параметров возможны разные режимы работы. Давнее сотрудничество между Венской группой TU Фридриха Омайра и группой IPP Garching, которую координирует Элизабет Вольфрум, теперь привело к рабочему режиму, который может предотвратить особенно разрушительные нестабильности плазмы, называемые ELM типа I.
Уже несколько лет назад эксперименты показали рецепт против опасных ЭЛМ типа I: плазма слегка деформируется магнитными катушками, так что ее сечение плазмы уже не эллиптическое, а напоминает округлый треугольник. Одновременно увеличивается плотность плазмы, особенно на краю.
«Однако вначале считалось, что это сценарий, который имеет место только на работающих в настоящее время небольших машинах, таких как ASDEX Upgrade на IPP в Гархинге, и не имеет отношения к реактору», — объясняет Лидия Радованович, которая в настоящее время работает над своей докторской диссертацией по этой теме в TU Wien. «Однако с помощью новых экспериментов и моделирования мы теперь смогли показать: режим может предотвратить опасную нестабильность даже в диапазонах параметров, предусмотренных для реакторов».
Как кастрюля с крышкой
Из-за треугольной формы плазмы и контролируемой инжекции дополнительных частиц на краю плазмы возникает множество мелких нестабильностей — несколько тысяч раз в секунду. «Эти небольшие взрывы частиц ударяются о стенку реактора быстрее, чем он успевает нагреться и снова остыть», — говорит Георг Харрер, ведущий автор статьи. «Поэтому эти отдельные нестабильности не играют большой роли для стенки реактора». Но, как команда смогла показать с помощью подробных расчетов моделирования, эти мини-нестабильности предотвращают большие нестабильности, которые в противном случае могли бы привести к повреждению.
«Это немного похоже на кастрюлю с крышкой, в которой начинает кипеть вода», — объясняет Георг Харрер. «Если давление продолжает нарастать, крышка будет подниматься и сильно дребезжать из-за выходящего пара. Но если вы слегка наклоните крышку, пар может выходить постоянно, а крышка остается стабильной и не дребезжит». Этот режим работы термоядерного реактора может быть реализован на различных реакторах — не только на реакторе ASDEX Upgrade в Гархинге, но и на ИТЭР, строящемся в настоящее время во Франции, или даже на будущих термоядерных установках DEMO.
Описанное исследование является частью австрийской исследовательской программы Fusion @ÖAW и проводилось в рамках проекта ЕС EUROfusion.
