Коллектив ученых из Принстонской лаборатории физики плазмы смог найти способ подавить возникновение альфвеновских неустойчивостей в токамаках. Интересно, что подавления удалось добиться, вводя в плазму дополнительный пучок нейтральных частиц, почти такой же, какой и вызывает эти неустойчивости. Это позволит увеличить устойчивость плазмы и повысить ее энергию как на уже работающих магнитных термоядерных реакторах, так и на строящемся сейчас Международном экспериментальном термоядерном реакторе во Франции. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Токамаки — тороидальные камеры с магнитными катушками — устройства для удержания высокоэнергетической плазмы с помощью тороидальных магнитных полей. Такие устройства используются для исследования процессов слияния легких высокоэнергетических ионов, важных для проведения управляемого термоядерного синтеза. Кроме магнитного поля, токамак обеспечивает образование в плазме электрического тока, который приводит к нагреванию плазмы до нужной температуры. Сейчас работают несколько крупных токамаков различных конфигураций, а самый крупный — Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР) — строится на юге Франции и планирует начать эксперименты в 2025 году.

В современных токамаках для повышения устойчивости плазмы в нее вводят дополнительный поток нейтральных частиц. Это приводит к образованию низкочастотных электромагнитных волн в плазме, которые распространяются вдоль постоянного магнитного поля. В результате возникают альфвеновские волны — поперечные магнитогидродинамические плазменные волны, распространяющиеся вдоль силовых линий магнитного поля. С одной стороны, они позволяют контролировать профиль распределения ионов в плазме и таким образом увеличить ее стабильность, но с другой — сами могут приводить к возникновению дополнительных неустойчивостей, и значительная часть ионов в такой плазме рассеивается, не сталкиваясь. Возможность предсказывать устойчивость альфвеновских волн и разработка методов для управления ими важна в том числе для таких термоядерных реакторов, как ИТЭР, в которых необходимая температура плазмы поддерживается как раз за счет введения пучков альфвеновских частиц.

В своей новой работе физики из Принстонской лаборатории физики плазмы, работающие на сферическом токамаке NSTX-U, предложили новый способ подавить альфвеновские неустойчивости за счет введения в плазму дополнительных пучков нейтральных частиц. В процессе последнего масштабного обновления токамака в 2015 году был установлен модуль, позволяющий вводить в плазму дополнительный пучок нейтральных частиц. Обычно введение дополнительных высокоэнергетических частиц приводит только к росту неустойчивости, но в данном случае физикам с помощью изменения угла введения пучка частиц и их энергии удалось добиться того, что он приводит к перераспределению высокоскоростных ионов и управляемо подавляет неустойчивость, возникшую изначально. В данном исследовании в плазму вводились три нейтральных пучка для повышения уровня контроля плазмой и еще три дополнительных нейтральных пучка — для подавления альфвеновской неустойчивости. Такая система позволила создать контролируемую устойчивую высокоэнергетическую плазму.

Схема введения дополнительно пучка частиц в токамак для подавления альфвеновских неустойчивостей. E. D. Fredrickson et al., Phys. Rev. Lett.

Помимо прочего, этот эффект удалось продемонстрировать не только экспериментально, но и с помощью компьютерного кода HYM, который разрабатывается для ИТЭР.  Компьютерная модель позволила количественно оценить частоты альфвеновских мод и предсказала как образование неустойчивостей, так и подавление этих неустойчивостей за счет введения дополнительных нейтральных пучков. Таким образом, удалось показать надежность предсказаний устойчивости плазмы, сделанных с помощью использования HYM.

Для управляемого термоядерного синтеза на ИТЭР планируется использование мощности до 500 мегаватт и временем удержания до 1000 секунд. Сейчас работы над управляемым термоядерным синтезом ведутся различными группами. Например, на токамаке KSTAR удалось удалось удерживать плазму температурой 50 миллионов Кельвинов в течение 70 секунд, а после этого китайские физики на токамаке EAST смогли увеличить это время до 100 секунд. Кроме того, существуют и частные компании, которые тоже работают над термоядерным синтезом – подробнее о них можно прочитать в нашем материале.

Автор: Александр Дубов