Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы объяснили, почему в термоядерных реакторах тепло распределяется неравномерно — проблему, которая оставалась нерешенной десятилетиями. Они выяснили, что ключевую роль играет вращение плазмы внутри реактора. Ее ядро движется со скоростью до 88 км/ч и создает потоки частиц вдоль магнитных линий. Эти потоки направляют заряженные частицы преимущественно к внутренней части дивертора — узла, который отводит лишнюю энергию и тепло.
Ранее компьютерные модели не могли точно воспроизвести такую картину, из-за чего инженеры сталкивались с трудностями при расчете тепловых нагрузок. Это осложняло проектирование систем охлаждения, поскольку было неясно, на какие участки конструкции воздействие самое мощное.
В токамаке плазму удерживает магнитное поле в форме тора, или бублика. Часть частиц неизбежно покидает зону удержания и попадает в дивертор, где сталкивается с металлическими пластинами, охлаждается и частично возвращается обратно. В ходе экспериментов выяснилось, что внутренняя часть дивертора получает больше частиц, чем внешняя, но объяснить это долго не удавалось. Ранее ученые учитывали только так называемые поперечные дрейфы — движение частиц поперек магнитных линий, однако этого оказалось недостаточно.
Команда Эрика Эмди проанализировала данные токамака DIII-D в Калифорнии с помощью модели SOLPS-ITER. Ученые проверили несколько сценариев и получили совпадение с экспериментом только тогда, когда учли вращение плазмы. Оказалось, что оно создает дополнительный поток вдоль магнитных линий, который по силе сопоставим с поперечными дрейфами. При этом оба механизма усиливают друг друга и формируют наблюдаемое распределение частиц.
Результаты позволяют точнее рассчитывать тепловые нагрузки в реакторах. Дивертор в таких установках должен выдерживать экстремальные условия — потоки энергии могут достигать десятков мегаватт на квадратный метр. Новые данные помогут инженерам заранее выбирать материалы и конфигурацию элементов, а не корректировать их уже после запуска.
Дополнительно расчеты показали, что вращение плазмы влияет не только на распределение частиц, но и на процессы их «переработки» в диверторе — часть частиц после удара о поверхность возвращается в реакцию в виде нейтрального газа. При высокой скорости вращения это возвращение становится неравномерным: поток частиц на внутреннюю часть дивертора может превышать внешний в несколько раз. Это означает, что ошибка в учете вращения приводит не просто к неточностям, а к кратному недооцениванию тепловых нагрузок. Поэтому новые модели требуют учитывать перенос импульса из центра плазмы к ее краю.
Ранее мы писали о том, как физики услышали «шепот материи» в редких вспышках света.
