Слева направо: аспирант Рикардо Шоуша, изображение солнечных вспышек и графики, показывающие детали плазменных разрядов. Предоставлено: Киран Сударсанан

«Наш главный результат заключается в том, что мы показали, что наша технология может подавлять ELM при максимальной производительности плазмы», — сказал Рикардо Шоуша, аспирант группы управления плазмой на факультете механики и аэрокосмической техники Принстонского университета, который связан с PPPL. Шоуша является ведущим автором статьи, сообщающей о результатах по физике плазмы.

Термоядерный синтез, сила, которая движет солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния материи, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — что генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неиссякаемый источник энергии для выработки электроэнергии.

Исследователи использовали установку Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) для изучения условий, при которых центр плазмы становится особенно горячим и плотным. Это желательное состояние, известное как Н-режим, может возникнуть, когда между центром и более холодным краем имеется резкое разделение; ученые хотят, чтобы плазма находилась в Н-режиме, потому что она производит более эффективные реакции синтеза. Но из-за того, что температура и плотность двух областей настолько сильно различаются, нестабильность ELM формируется вдоль границы, так же как грозы могут образовываться там, где встречаются горячий и холодный фронты. Эти нестабильности могут вызывать всплески, напоминающие солнечные вспышки, гигантские выбросы плазмы, вырывающиеся с поверхности Солнца.

Когда такие события происходят в токамаках, они могут повредить внутренние стенки и компоненты, что потребует остановки машины для ремонта. Риск еще выше для ИТЭР, многонационального токамака, который строится в Кадараше, Франция, чтобы доказать возможность синтеза в качестве крупномасштабного и безуглеродного источника энергии, поскольку это устройство будет создавать плазму, которая имеет гораздо больше тепла и энергии, чем ток токамак плазмы делать.

Итак, у физиков возникла дилемма. Они хотят, чтобы плазма находилась в Н-режиме, но Н-режим приводит к нестабильности, которая может повредить токамак. Шуша и другие исследователи сосредоточились на использовании магнитных полей для подавления нестабильности. Этот метод был открыт в 2003 году. Применяемые поля уменьшают нестабильность, позволяя частицам проходить через границу. Но один побочный эффект заключается в том, что плазма охлаждается, и реакции синтеза становятся менее эффективными.

Исследовательская группа решила эту проблему, объединив магниты с системой обратной связи. Комбинация определяет самое слабое магнитное поле, которое может подавлять ELM, сводя к минимуму степень ухудшения условий H-моды. «Это новая часть нашего исследования», — сказал Шуша.

Результаты были получены благодаря самоотверженности аспирантов в сочетании с международной сетью исследователей и институтов. «Стать частью PPPL и Принстонского университета — отличная возможность для аспирантов», — сказал Эгемен Колемен, доцент кафедры механики и аэрокосмической техники Принстонского университета, который работает совместно с PPPL и является соавтором статьи. «Они могут проводить эксперименты в любой точке мира — в Соединенных Штатах, Китае, Германии, Южной Корее — и у них есть возможность управлять этими мощными машинами. И они действительно преуспевают. Пока у них есть воля, у нас есть способ."

Ученые планируют усовершенствовать свою систему, чтобы она могла обнаруживать сигналы, предвещающие появление ELM, чтобы магниты могли начать предотвращать их до того, как они возникнут. «Идея состоит в том, что если мы сможем быстро обнаружить эти сигналы-предшественники, мы сможем принять меры до того, как появится неизбежный ELM, и потенциально предотвратить его», — сказал Шуша.