Исследователи из лаборатории физики плазмы Принстонского университета с помощью созданной ими математической модели нашли способ предотвратить появление магнитных островов в плазме термоядерного реактора. Это позволит увеличить производительность будущих энергоустановок этого типа.

Статья об открытии опубликована в журнале Physics of Plasmas.

Тороидальные камеры с магнитными катушками — токамаки — на сегодня самый перспективный тип термоядерного реактора. Внутри них дейтериево-тритиевая плазма разогревается до высоких температур и сжимается с помощью магнитного поля. В результате ядра атомов сближаются и соединяются, образуя более тяжелые элементы. В ходе таких реакций синтеза в качестве побочного продукта выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать для нужд человечества.

Однако до сих пор существует масса трудностей в реализации таких установок. В частности, достичь необходимого времени удержания плазмы и соблюсти критерий Лоуренса может мешать образование магнитных островов — тороидальных образований в плазме, внутри которых нет температурных градиентов. Теперь исследователи нашли способ борьбы с такими структурами.

До сих пор ученые использовали для этого постоянное воздействие радиоизлучением на плазму в реакторе. Однако физики построили математическую модель и показали, что эффективнее всего использовать импульсы излучения, чтобы не допустить образования магнитных островов. Модель показала оптимальную частоту пульсаций, которая соответствует скорости рассеивания тепла магнитного острова в окружающую среду.

Исследователи показали, что при использовании таких импульсов температура внутри острова повышается и в его центре создается движение плазмы, что не дает образованию расти. Затем возникает нелинейная обратная связь между поступающей от излучения энергией и изменением температуры острова. Это позволяет значительно улучшить стабилизацию плазмы. Управление этими изменениями температуры осуществляется с помощью диффузии тепла с края магнитного острова.

Однако когда частота слишком высокая и наиболее сильно подавляет образование островов, тот же нелинейный эффект обратной связи может создать проблему, называемую «затенением» во время стационарного облучения. Это приводит к тому, что луч радиоизлучения исчерпывает всю свою энергию до того, как достигает центра острова. Теперь ученые планируют проверить свои предсказания в реальных установках и надеются, что их открытие позволит приблизить ученых к управляемому термоядерному синтезу.