Прорив у дослідженнях термоядерного синтезу: вчені з Принстонської лабораторії розгадали загадку дивертора

Дослідники Принстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) досягли значного прогресу у створенні стабільних термоядерних реакторів, розгадуючи давню аномалію, яка тривалий час ставила вчених у складне становище. Ця проблема стосується нерівномірного розподілу часток усередині токамаків — спеціальних пристроїв, що мають форму тору, де магнітні поля утримують перегріту плазму. Цей процес є спробою відтворити умови, що відбуваються всередині зірок, де термоядерні реакції забезпечують величезну кількість енергії.

Основна проблема, з якою стикалися дослідники, полягала в роботі системи вихлопу, відомої як дивертор. Коли частки залишають розпечене ядро реактора, вони вдаряються об металеві пластини дивертора, де охолоджуються і повертаються назад у цикл. Проте експерименти постійно демонстрували дивний дисбаланс: на внутрішню мішень дивертора потрапляло значно більше часток, ніж на зовнішню. Це явище залишалося незрозумілим, і жодна наукова модель не могла точно пояснити, чому це відбувається, що створювало великі труднощі для інженерів, які намагалися спроектувати витривалі промислові реактори.

Раніше вважалося, що причиною цього дисбалансу є так званий поперечний дрейф — рух часток вбік, перпендикулярно до ліній магнітного поля. Однак моделювання лише цього ефекту не відповідало реальним вимірюванням. У новому дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Letters, фізики довели, що «секретним інгредієнтом» є тороїдальне обертання плазми навколо осі реактора.

Для підтвердження своїх гіпотез вчені використали спеціалізований програмний код SOLPS-ITER, з його допомогою команда змоделювала поведінку плазми в токамаку DIII-D, розташованому в Каліфорнії. Вони протестували чотири сценарії, чергуючи вплив поперечного дрейфу та обертання. Результати стали сенсаційними: модель ідеально збіглася з реальністю лише тоді, коли в розрахунки була включена виміряна швидкість обертання ядра, яка становить вражаючі 88,4 кілометра на секунду.

«У плазмі існують два компоненти течії: поперечний дрейф і паралельний потік уздовж ліній магнітного поля, зумовлений обертанням ядра», — пояснює провідний автор дослідження Ерік Емді. Виявилося, що обертання ядра має таку ж важливість для створення асиметрії, як і поперечний рух часток. Разом ці два фактори створюють набагато сильніший ефект, ніж кожен окремо.

Це відкриття має критичне значення для інженерії майбутнього. Тепер конструктори можуть точно прогнозувати, куди саме спрямовуватиметься основний потік тепла та часток відпрацьованого газу. Точні прогнози дозволять створювати дивертори, здатні витримувати екстремальні навантаження протягом тривалого часу. Це наближає людство до створення надійних термоядерних електростанцій, які зможуть забезпечити світ практично безмежною та чистою енергією.