Новые данные о движущемся электричестве могут улучшить термоядерные устройства
Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США обнаружили, что обновление математической модели с включением физического свойства, известного как удельное сопротивление, может привести к улучшению конструкции термоядерных установок в форме пончика, известных как токамаки.
Физик PPPL Андреас Кляйнер перед графиками, иллюстрирующими явления удельного сопротивления в плазме. Фото: Киран Сударсанан / Управление связи PPPL
«Удельное сопротивление — это свойство любого вещества, которое препятствует прохождению электричества», — сказал физик PPPL Натаниэль Ферраро, один из сотрудничающих исследователей. «Это похоже на вязкость жидкости, которая препятствует движению вещей через нее. Например, камень будет двигаться медленнее в патоке, чем в воде, и медленнее в воде, чем в воздухе».
Ученые открыли новый способ, которым удельное сопротивление может вызвать нестабильность на краю плазмы, где температура и давление резко возрастают. Включая удельное сопротивление в модели, которые предсказывают поведение плазмы, смеси электронов и атомных ядер, которые составляют 99% видимой Вселенной, ученые могут проектировать системы для будущих термоядерных установок, которые сделают плазму более стабильной.
«Мы хотим использовать эти знания, чтобы выяснить, как разработать модель, которая позволит нам подключить определенные характеристики плазмы и предсказать, будет ли плазма стабильной, прежде чем мы на самом деле проведем эксперимент», — сказал Андреас Кляйнер, физик PPPL, который был ведущий автор статьи, сообщающей о результатах в ядерном синтезе. «По сути, в этом исследовании мы увидели, что удельное сопротивление имеет значение, и наши модели должны его учитывать», — сказал он.
Термоядерный синтез, сила, которая движет солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер — и генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся использовать термоядерный синтез на Земле в качестве практически неисчерпаемого источника энергии для производства электроэнергии.
Ученые хотят, чтобы плазма была стабильной, потому что нестабильность может привести к выбросам плазмы, известным как локализованные по краям моды (ELM), которые могут со временем повредить внутренние компоненты токамака, требуя более частой замены этих компонентов. Однако будущие термоядерные реакторы должны будут работать без остановки на ремонт в течение нескольких месяцев.
«Нам нужно быть уверенными в том, что плазма на этих будущих объектах будет стабильной, и нам не нужно будет строить полномасштабные прототипы, что непомерно дорого и требует много времени», — сказал Ферраро. «В случае краевых мод и некоторых других явлений невозможность стабилизации плазмы может привести к повреждению или сокращению срока службы компонентов в этих установках, поэтому очень важно сделать все правильно».
Физики используют компьютерную модель, известную как EPED, для прогнозирования поведения плазмы в обычных токамаках, но прогнозы, полученные с помощью кода для различных плазменных машин, известных как сферические токамаки, не всегда точны. Физики изучают сферические токамаки, компактные установки, такие как National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) в PPPL, которые напоминают яблоки с сердцевиной, в качестве возможной конструкции экспериментальной термоядерной установки.
Используя мощные компьютеры в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, Кляйнер и его команда попытались добавить удельное сопротивление к модели плазмы и обнаружили, что предсказания начали совпадать.
«Андреас изучил данные нескольких предыдущих плазменных разрядов и обнаружил, что резистивные эффекты очень важны», — сказал Раджеш Майнги, глава отдела экспериментальных исследований токамаков PPPL. «Эксперименты показали, что эти эффекты, вероятно, вызывали ELM, которые мы наблюдали. Усовершенствованная модель может показать нам, как изменить профили плазмы в будущих установках, чтобы избавиться от ELM».
Использование этих типов компьютерных моделей является стандартной процедурой, которая позволяет физикам предсказывать, что плазма будет делать в будущих термоядерных установках, и проектировать эти машины так, чтобы поведение плазмы повышало вероятность термоядерного синтеза. «По сути, модель — это набор математических уравнений, описывающих поведение плазмы, — сказал Ферраро.
«И все модели включают предположения. Некоторые модели, такие как та, что используется в этом исследовании, описывают плазму как жидкость. В общем, у вас не может быть модели, включающей в себя всю физику. Было бы слишком сложно решить Вам нужна модель, достаточно простая для расчета, но достаточно полная, чтобы отразить интересующее вас явление. Андреас обнаружил, что удельное сопротивление является одним из физических эффектов, которые мы должны включить в наши модели», — продолжил он.
Это исследование основано на прошлых вычислениях, проведенных Кляйнером и другими. Он дополняет эти выводы, анализируя больше разрядов, производимых NSTX, машиной, предшествующей NSTX-U, и исследуя сценарии, когда ELM не происходят. Исследование также помогло ученым определить, что нестабильность, вызванная удельным сопротивлением, обусловлена током плазмы, а не давлением.
Будущие исследования будут сосредоточены на определении того, почему удельное сопротивление вызывает эти типы нестабильности в сферических токамаках. «Мы пока не знаем, какое свойство вызывает появление резистивных мод на краю плазмы. Это может быть результатом геометрии сферического тора, лития, покрывающего внутренности некоторых объектов, или вытянутой формы плазмы», — сказал Кляйнер. «Но это должно быть подтверждено дальнейшим моделированием».
