Измерение турбулентности в LHD.
Фото: Национальный институт термоядерной науки.

Энергия синтеза высвобождается, когда два легких ядра объединяются в одно более тяжелое (реакция ядерного синтеза). Производство энергии на основе термоядерного синтеза (термоядерная электростанция) использует энергию, вырабатываемую при объединении дейтерия и трития с образованием гелия.

Реакция ядерного синтеза не приводит к образованию углекислого газа. Кроме того, поскольку из морской воды можно извлекать дейтерий и тритий, термоядерная энергия рассматривается как устойчивый источник энергии, и в последние годы исследования по ее практическому применению быстро развиваются.

Чтобы инициировать реакцию термоядерного синтеза, дейтерий и тритий необходимо нагреть до температуры более 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы образовалась плазма, которая затем поддерживается сильной магнитной «клеткой». Однако при возбуждении турбулентности в плазме плазма вытекает из магнитной «клетки».

Таким образом, турбулентность является важной темой в исследованиях термоядерного синтеза, и ее подавление имеет важное значение для реализации термоядерной электростанции. Для подавления турбулентности необходимо понимание физического механизма ее возбуждения, и LHD является идеальным устройством для решения этой задачи.

Например, измерить турбулентность, как правило, непросто, но исследователи успешно измерили не только ее амплитуду, но также ее пространственный профиль и направление распространения с помощью прецизионной лазерной диагностики. Более того, эти серии экспериментов были проведены в период экспериментов с дейтерием (2017–2022 гг.) в LHD, и была исследована зависимость турбулентности от массы ионов.

Исследовательскую группу возглавляют доцент Тошики Киношита (Научно-исследовательский институт прикладной механики, Университет Кюсю), профессор Кендзи Танака (Национальный институт термоядерных наук, Национальные институты естественных наук) и профессор Акихиро Исидзава (Высшая школа энергетических наук, Киотский университет) и другие провели эксперименты, в которых плотность (количество электронов и ионов) водородной плазмы изменялась при одинаковых условиях нагрева, чтобы получить полное представление о турбулентности в ЛГД.

Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

В то же время была детально измерена турбулентность. В результате было обнаружено, что турбулентность наиболее подавляется при определенной плотности (переходной плотности), причем ниже переходной плотности она уменьшается с увеличением плотности, а выше переходной плотности начинает возрастать. Кроме того, было замечено, что направление распространения турбулентности меняется на противоположное после перехода плотности. Из этого результата следует, что характер турбулентности меняется вокруг плотности перехода (турбулентный переход).

Связь между плотностью и турбулентностью.
Фото: Национальный институт термоядерной науки.

Различия в поведении турбулентности водородной и дейтериевой плазмы.
Фото: Национальный институт термоядерной науки.

Затем, чтобы подтвердить турбулентный переход, было проведено моделирование на суперкомпьютере Raijin. В результате исследователи обнаружили, что турбулентность, наблюдаемая ниже переходной плотности, в основном вызвана градиентом ионной температуры, а выше — градиентом давления и удельным сопротивлением плазмы.

Более того, они определили, что это изменение турбулентности является важным физическим механизмом подавления турбулентности. Таким образом, полностью используя эксперименты и моделирование, они обнаружили, что наблюдаемое подавление турбулентности было связано с изменением режима турбулентности, т.е. турбулентным переходом.

Кроме того, в тех же условиях были проведены эксперименты в дейтериевой плазме и проведено сравнение с водородной плазмой. В результате они обнаружили, что турбулентные переходы происходят при более высокой плотности для дейтериевой плазмы, т.е. турбулентность подавляется при более высокой плотности.

Более того, что удивительно, турбулентность, наблюдаемая выше переходной плотности, явно подавляется в дейтериевой плазме. Подавление турбулентности, наблюдаемое при высокой плотности в дейтериевой плазме, означает, что оно будет дополнительно подавляться в плазме смеси дейтерия и трития с более высокой плотностью и массой, предназначенной для выработки термоядерной энергии. Это благоприятный результат для скорейшей реализации термоядерной генерации.

Это исследование показывает, что турбулентность наиболее подавлена во время турбулентного перехода, а плотность турбулентного перехода выше в дейтериевой плазме, чем в водородной плазме. Различные плотности перехода означают, что условие турбулентного перехода не определяется исключительно плотностью электронов.

Следующим шагом является определение условий перехода турбулентности на основе физических предпосылок турбулентности и разработка инновационных сценариев эксплуатации с условиями низкой турбулентности для термоядерных электростанций.

Исследователи говорят, что они также хотели бы расширить свои исследования, включив экстраполяцию на смешанную дейтериевую и тритиевую плазму и ее применение в проектировании электростанций, чтобы найти эффективные решения для реализации энергии термоядерного синтеза.