Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН впервые в мире провели эксперимент, который позволил определить изменения электрического поля и скорости вращения плазмы на периферии термоядерной установки во время так называемых малых ELM-всплесков.
Это дает возможность исследователям глубже понять и математически описать процессы, происходящие на краю плазмы, чтобы научиться ими управлять в термоядерных реакторах будущего.
«Эксперименты продемонстрировали, что во время ELM происходит резкий рост температуры и концентрации плазмы в приграничной зоне, значительно изменяются токи в области вне плазмы, наблюдается перенос и ускорение быстрых ионов, а также потери надтепловых электронов и формирование плазменных филаментов. Было установлено, что скорость вращения плазмы увеличивается во время ELM, причем этот эффект распространяется на несколько сантиметров внутрь плазмы, а не ограничивается узким слоем, как считалось ранее. И все это происходит за микросекунды, то есть очень быстро. По отдельности малые ELM кажутся безобидными, но в совокупности создают интенсивную и сложную динамику периферии плазмы. Малые ELM — это не просто ослабленные всплески, а самостоятельный динамический режим, в котором периферия плазмы функционирует по своим быстрым и сложным законам», — отметил лаборант-исследователь Научной лаборатории перспективных методов исследования плазмы сферических токамаков Физико-механического института СПбПУ Арсений Токарев.
Исследования проводились на сферическом токамаке «Глобус-М2». В термоядерных устройствах плазма удерживается магнитным полем в так называемом H-режиме (режиме улучшенного удержания), когда на краю плазмы формируется невидимый барьер, удерживающий тепло. Периферийные локализованные моды возникают из-за колоссальной разницы давления на этом барьере и функционируют как предохранительный клапан, периодически сбрасывающий избыточную энергию.
Что удалось выяснить
Ученые обнаружили, что во время малых ELM температура электронов в приграничной зоне увеличивается в пять раз, а концентрация плазмы — в два раза. Скорость вращения плазмы возрастает на 50%, и этот эффект проникает на несколько сантиметров внутрь, а не ограничивается узкой областью, как считалось ранее. Кроме того, зафиксированы ускорение быстрых ионов и формирование плазменных филаментов (нитевидных структур), движущихся со скоростью до 10 км/с.
По словам заведующего лабораторией «Диагностика высокотемпературной плазмы» СПбПУ Александра Яшина, полученные результаты имеют критическое значение для перехода от коротких экспериментальных импульсов к длительной и непрерывной работе будущих термоядерных реакторов. Режимы с малыми ELM считаются основными кандидатами для такой работы, и новое понимание физики процессов позволит инженерам целенаправленно управлять нагрузками на стенки установки, делая термоядерную энергетику более предсказуемой и надежной.
Исследования осуществлены на оборудовании Федерального центра коллективного пользования «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» ФТИ им. А. Ф. Иоффе.
Фото: hi-tech.mail.ru