Ученые годами пытались объяснить любопытную закономерность внутри токамаков — устройств в форме пончика, предназначенных для производства электроэнергии путем термоядерного синтеза атомов. Внутри этих устройств перегретая плазма удерживается магнитными полями. Часть этих частиц в конечном итоге покидает ядро и движется к выхлопной системе, называемой дивертором.
Когда частицы достигают дивертора, они ударяются о металлические пластины, охлаждаются и отскакивают. (Возвращающиеся атомы помогают подпитывать термоядерную реакцию.) Однако эксперименты неизменно выявляют неожиданный дисбаланс. Гораздо больше частиц попадает во внутреннюю мишень дивертора, чем во внешнюю.
Это неравномерное распределение — не просто курьез. Оно имеет серьезные последствия для будущих термоядерных реакторов. Инженеры должны точно знать, куда упадут частицы, чтобы проектировать диверторы, способные выдерживать экстремальные температуры и нагрузки. До сих пор основное объяснение основывалось на поперечном дрейфе, описывающем движение частиц вбок поперек магнитных силовых линий внутри дивертора. Но моделирование, учитывающее только этот эффект, не смогло воспроизвести результаты экспериментов, что вызвало сомнения в надежности моделей при проектировании реакторов.
Вращение плазмы оказывается недостающим фактором.
Новое исследование позволило обнаружить ключевой элемент головоломки. Ученые выяснили, что тороидальное вращение, движение плазмы при ее движении вокруг токамака, сильно влияет на то, куда в конечном итоге попадают частицы в выхлопную систему.
Используя программный код SOLPS-ITER, исследователи смоделировали поведение частиц в различных условиях. Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показали, что моделирование соответствовало реальным измерениям только тогда, когда учитывалось вращение плазмы наряду с поперечным дрейфом. Такое соответствие между моделями и экспериментами имеет важное значение для проектирования термоядерных систем, способных надежно работать вне лаборатории.
«В плазме существуют два компонента течения, — говорит Эрик Эмди, научный сотрудник Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и ведущий автор исследования. — Это течение в поперечном направлении, когда частицы дрейфуют вбок поперек линий магнитного поля, и параллельное течение, когда они движутся вдоль этих линий. Многие говорили, что асимметрию создает течение в поперечном направлении. Эта статья показывает, что параллельное течение, обусловленное вращающимся ядром, имеет такое же значение».
Наконец-то симуляции соответствуют реальности!
Чтобы проверить свою идею, команда смоделировала поведение плазмы в токамаке DIII-D в Калифорнии. Они провели четыре различных сценария, включая и выключая поперечный дрейф и вращение плазмы. Результаты были очевидны. Ни одно из моделирований не соответствовало экспериментальным данным до тех пор, пока не был добавлен один критически важный компонент: измеренная скорость вращения ядра, составляющая 88,4 километра в секунду.
После учета обоих эффектов модели точно воспроизвели неравномерное распределение частиц, наблюдаемое в реальных экспериментах. Совместное влияние бокового дрейфа и вращения оказалось намного сильнее, чем влияние каждого фактора по отдельности.
Разработка систем слияния данных для реальных условий
Полученные результаты подчеркивают важную связь между вращающимся плазменным ядром и поведением частиц на краю системы. Точное определение этой взаимосвязи будет иметь решающее значение для прогнозирования движения частиц отработанного газа в будущих реакторах.
Более точные прогнозы означают более качественную разработку. Благодаря более четкому пониманию того, где будет концентрироваться тепло и частицы, конструкторы могут создавать диверторы, которые более устойчивы и лучше подходят для реальных условий эксплуатации.
Помимо Эмди, в исследовательскую группу входили Ласло Хорват, Алессандро Бортолон, Джордж Уилки и Шон Хаски из PPPL; Рауль Герру Мигеланьес из Массачусетского технологического института; и Флориан Лаггнер из Университета штата Северная Каролина.
Данная работа была поддержана Управлением по наукам о термоядерной энергии Министерства энергетики США с использованием Национального термоядерного комплекса DIII-D, являющегося пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США, в рамках грантов DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 и DE-SC0019130.
Источник: www.sciencedaily.com
