Физики термоядерного синтеза нашли способ обойти давний предел плотности

Эксперименты внутри термоядерного реактора в Китае продемонстрировали новый способ обойти один из ограничений на плотность перегретой плазмы, циркулирующей внутри.

На экспериментальном сверхпроводящем токамаке (EAST) физики успешно превысили так называемый предел Гринвальда — практическую границу плотности, за которой плазма имеет тенденцию резко дестабилизироваться, часто повреждая компоненты реактора.

В течение длительного времени предел Гринвальда была принята как данность и включена в разработку термоядерных реакторов. Новая работа показывает, что точный контроль над тем, как плазма создается и взаимодействует со стенками реактора, может вывести ее за пределы этого предела и привести к тому, что физики называют режимом «без плотности».

Связано: Корейский термоядерный реактор устанавливает новый рекорд по выработке плазмы с температурой 100 миллионов градусов

Термоядерные реакторы предназначены для воспроизведения интенсивного ядерного синтеза, который происходит в сердце Солнца, генерируя огромное количество плазмы. энергии. Необходимо преодолеть ряд серьезных препятствий, одним из которых является плотность плазмы.

Смысл в том, что чем больше атомов вы упаковываете в плазму, тем больше они взаимодействуют и тем больше происходит реакций синтеза, тем самым увеличивая выход энергии. При температуре перегретой плазмы внутри токамаков – тороидальных «беговых дорожек» с магнитной подкладкой, по которым удерживается и направляется плазма – выходная энергия обычно зависит от плотности плазмы.

Именно здесь предел Гринвальда ограничивает удовольствие. По сути, это не строгий закон физики, а скорее наблюдаемое явление, которое можно описать математически, чтобы предсказать, как далеко может распространиться плотность плазмы внутри токамака, прежде чем она, скорее всего, дестабилизируется и резко схлопнется.

Это происходит потому, что по мере увеличения плотности плазмы плазма излучает больше энергии, быстрее охлаждаясь на своей границе, особенно когда атомы со стенок реактора попадают в плазму. Энергичные частицы плазмы отбивают атомы от стенки; попав внутрь плазмы, эти примеси увеличивают скорость излучения энергии, что дополнительно охлаждает плазму и способствует высвобождению еще большего количества примесей, создавая петлю обратной связи.

Получающееся в результате охлаждение может затем ухудшить магнитное удержание, которое удерживает плазму, позволяя плазме вырваться и быстро отключиться. Из-за этого физики обычно эксплуатируют реакторы магнитного синтеза ниже предела Гринвальда, за исключением экспериментов, предназначенных для его проверки.

Однако недавно теоретическое исследование показало, что самоорганизация при взаимодействии плазмы со стенками может позволить токамакам избежать обычного ограничения плотности Гринвальда, вместо этого работая в том, что авторы описывают как отдельный режим «без плотности».

Команда под руководством физиков Пин Чжу из Университета науки Хуачжун и Technology и Нин Янь из Китайской академии наук разработали эксперимент, чтобы развить эту теорию дальше, основываясь на простой предпосылке: на предел плотности сильно влияют первоначальные взаимодействия плазмы со стенкой при запуске реактора.

В своем эксперименте исследователи хотели посмотреть, смогут ли они сознательно управлять результатом этого взаимодействия. Они тщательно контролировали давление топливного газа во время запуска токамака и добавили взрывной нагрев, называемый электронно-циклотронным резонансным нагревом.

Эти изменения изменили способ взаимодействия плазмы со стенками токамака через более холодную границу плазмы, что резко снизило степень проникновения стеночных примесей в плазму.

В этом режиме исследователи смогли достичь плотности примерно на 65 процентов выше, чем предел Гринвальда токамака.

Это Это не означает, что магнитно-удерживаемая плазма теперь может работать без каких-либо ограничений по плотности. Тем не менее, это показывает, что предел Гринвальда не является фундаментальным барьером и что настройка рабочих процессов может привести к созданию более эффективных термоядерных реакторов.

Команда продолжит экспериментировать с полученными результатами, чтобы увидеть, как EAST работает в высокопроизводительных условиях в недавно описанном режиме без плотности.

«Результаты предлагают практический и масштабируемый путь для расширения пределов плотности в токамаках и устройствах горящего плазменного синтеза следующего поколения», — говорит Чжу.

Результаты были опубликованы в журнале Science Advances.