Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США (DOE), работающие с японскими исследователями, провели наблюдение на Большом спиральном устройстве (LHD) в Японии, извилистом магнитном объекте, который японцы называют "гелиотрон". Результаты впервые продемонстрировали новый режим удержания тепла в установках, известных как стеллараторы, аналогичных гелиотрону. Полученные результаты могли бы продвинуть извилистый дизайн в качестве основы для будущих термоядерных электростанций.

Более высокое ограничение

Исследователи создали режим более высокого удержания, впрыснув крошечные зерна порошка бора в плазму LHD, которая подпитывает термоядерные реакции. Впрыскивание через капельницу, установленную на PPPL, резко уменьшило турбулентные завихрения и завихренности и увеличило количество выделяемого тепла, которое приводит к реакциям.

"Мы могли видеть этот эффект очень четко", - сказал физик PPPL Федерико Несполи, ведущий автор статьи, в которой подробно описан процесс в журнале Физика природы"Чем больше энергии мы вкладываем в плазму, тем больше увеличивается теплоемкость и удержание, что было бы идеально в реальных условиях реактора".

Сказал Дэвид Гейтс, главный физик-исследователь PPPL, возглавляющий отдел перспективных проектов, который курировал работу: "Я очень взволнован этими превосходными результатами, которые Федерико описал в этой важной статье о нашем сотрудничестве с командой над большим спиральным устройством. Когда мы запустили этот проект - порошковую капельницу с примесями LHD - в 2018 году, у нас были надежды, что это может повлиять на ограничение энергопотребления. Наблюдения даже лучше, чем мы ожидали, благодаря подавлению турбулентности на значительной части радиуса плазмы. Я очень благодарен нашим японским коллегам за то, что они предоставили нашей команде возможность принять участие в этих экспериментах".

Полученные результаты также привели в восторг японских исследователей. "Мы очень рады и взволнованы получением этих результатов", - сказал Масаки Осакабе, исполнительный директор проекта LHD и научный советник по исследованиям ядерного синтеза в MEXT, японском министерстве, ответственном за ядерную энергетику. "Для нас также большая честь сотрудничать с PPPL", - сказал Осакабе. "Результаты, полученные в результате этого сотрудничества, станут отличным инструментом для управления высокоэффективной плазмой в термоядерном реакторе".

Многообещающая концепция

Стеллараторы, впервые сконструированные в 1950-х годах под руководством основателя PPPL Лаймана Спитцера, являются многообещающей концепцией, которая долгое время следовала за симметричными магнитными установками, называемыми токамаками, в качестве ведущего устройства для производства термоядерной энергии. История относительно плохого удержания тепла сыграла свою роль в сдерживании стеллараторов, которые могут работать в устойчивом состоянии с небольшим риском сбоев в работе плазмы, с которыми сталкиваются токамаки.

Термоядерный синтез объединяет легкие элементы в форме плазмы - горячего, заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, или ионов, которые составляют 99 процентов видимой Вселенной, - для высвобождения огромного количества энергии. Токамаки и стеллараторы являются основными магнитными конструкциями для ученых, стремящихся получить безопасную, чистую и практически безграничную термоядерную энергию для производства термоядерной энергии для человечества.

Хотя бор уже давно используется для обработки стен и улучшения изоляции в токамаках, ученые ранее не наблюдали "повсеместного снижения турбулентности и температуры

увеличение, подобное тому, о котором сообщается в этой статье", - говорится в документе. Более того, в наблюдениях отсутствовали разрушительные всплески тепла и частиц, называемые краевыми локализованными модами (ELMS), которые могут возникать в токамаках и стеллараторах во время экспериментов по термоядерному синтезу в условиях высокой концентрации, или H-режиме.

В документе говорится, что значительное улучшение нагрева и удержания в плазме LHD, возможно, стало результатом уменьшения так называемой нестабильности градиента температуры ионов (ITG), которая создает турбулентность, вызывающую утечку плазмы из удержания. Уменьшение турбулентности контрастирует с типом теплопотерь, называемым "неоклассическим переносом", другой основной причиной выхода частиц из заточения стелларатора.

Новый раунд

В настоящее время проводится новый раунд экспериментов LHD, который проверит, продолжается ли улучшение теплопроводности и удержания при увеличении диапазона массовых скоростей инжекции, плотности плазмы и мощности нагрева. Несполи и его коллеги также хотели бы посмотреть, может ли углеродный порошок работать так же хорошо, как бор. "Бор создает покрытие на стене, которое хорошо удерживает тепло, а углерод этого не сделает", - сказал он. "Мы хотим посмотреть, хорош ли весь порошок или это бор, который улучшает условия".

Дополнительные цели включают оценку способности бора улучшать характеристики плазмы во время стационарной работы LHD, которая способна к чрезвычайно длительным разрядам плазмы до одного часа. Такие эксперименты могли бы дать новые доказательства ценности конструкции стелларатора в будущем.

Поддержка этой работы исходит от Управления науки Министерства образования США.