Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США сделали важный шаг на пути к ядерному синтезу. Они обнаружили источник теплового коллапса, который предшествует сбоям в работе реактора. Тем самым, которые в ответе за повреждения термоядерных установок на токамаках. Разработка решит одну из самых серьезных проблем на пути к термоядерному синтезу.
Почему так важно достичь термоядерного синтеза?
Ядерный синтез — это физический процесс, который приводит в действие наше Солнце. Он происходит, когда атомы сталкиваются вместе при чрезвычайно высоких температурах и давлении, заставляя их выделять огромное количество энергии за счет слияния с более тяжелыми атомами.
Ученые по всему миру работают над тем, чтобы зафиксировать и направить процесс атомного синтеза на Земле, чтобы разработать чистый, безуглеродный и, возможно, неисчерпаемый источник энергии. Они уже предприняли несколько попыток, но лишь на несколько секунд. Одна из причин — тепловой коллапс.
Почему возникает тепловой коллапс и что это такое?
Одна из проблем, о которой ученые раньше не подозревали в рамках изучения теплового коллапса, — трехмерная форма или топология беспорядочных силовых линий, вызванных турбулентной нестабильностью.
Она стала причиной создания крошечных «холмов» и «долин», где одни частицы задерживаются, а другие катятся вниз по «холмам» и воздействуют на стены объекта. Существование этих «холмов» является причиной быстрого температурного коллапса, так называемого теплового гашения.
В рамках нового исследования ученые проследили коллапс до трехмерного беспорядка сильных магнитных полей. Их используют в термоядерных установках в качестве заменителей мощной гравитации, которая удерживает реакции синтеза в небесных телах, например, в Солнце.
Однако в лабораторных экспериментах эти поля разупорядочены из-за неустойчивости плазмы. В случае серьезного нарушения линии поля становятся абсолютно беспорядочными, «запутываясь как спагетти», пишут ученые. Из-за этого большое количество частиц «прилипает» к стенке токамака. Возникающее тепло может повредить стены термоядерной установки.
Что сделали ученые?
В рамках нового исследования ученые придумали, как создать специальную карту для понимания топологии силовых линий. Это нивелирует магнитные «холмы». Без них большинство электронов будут захвачены и не смогут бы вызвать термическое гашение, наблюдаемое в экспериментах.
Так, ученые смоделировали топологию термического охлаждения как сложную трехмерную структуру. Примечательно, что они избегали чрезмерных упрощений, которые так часто вводят физиков в заблуждение. Эта топология, как известно, трудна для понимания из-за сложного взаимодействия между электрическим и магнитным полями. Исследователи PPPL использовали код GTS Лаборатории, чтобы понять ее.
Как это работает?
Код моделирует влияние турбулентной неустойчивости на движение частиц. Он показывает, как электрическое поле, создаваемое в установках, отбрасывает частицы между силовыми линиями магнитного поля, а затем способствует результирующему движению захваченных частиц. Именно это и приводит к тепловому гашению.
Почему это важно?
Новое исследование объясняет с точки зрения физики, как плазма теряет энергию по направлению к стене в присутствии силовых линий магнитного поля. Это очень полезно для поиска инновационных способов смягчения или предотвращения термического гашения и разрушения плазмы в будущем.
Читать далее:
Выяснилось, что происходит с мозгом человека после одного часа в лесу
Стало известно, какой чай разрушает белок в мозге
Странные морские существа на глубине океана оказались похожи на человека
Фото на обложке: Eye Steel Film