Термоядерные реакции объединяют легкие элементы в форме плазмы - горячего, заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое составляет 99 процентов видимой Вселенной, - для выработки огромного количества энергии. Ученые по всему миру стремятся воспроизвести этот процесс в термоядерных установках в форме пончика, называемых токамаками, которые нагревают плазму до температуры в миллион градусов и заключают ее в симметричные магнитные поля, создаваемые катушками для создания термоядерных реакций.

Важнейший вопрос

Важнейшей проблемой для этих усилий является поддержание быстрого вращения плазмы в форме пончика, которая закручивается внутри токамака. Однако небольшие искажения магнитного поля, или рябь, вызванные несоосностью катушек магнитного поля, могут замедлить движение плазмы, делая ее более нестабильной. Смещения катушки и возникающая в результате рябь поля незначительны, всего 1 часть на 10 000 частей поля, но они могут оказать значительное влияние.

Поддержание стабильности в будущих токамаках, таких как ITER, международная установка, которая будет построена во Франции для демонстрации возможности использования термоядерной энергии, будет иметь важное значение для сбора энергии для выработки электроэнергии. Один из способов минимизировать влияние пульсаций поля - добавить дополнительные магниты, чтобы компенсировать или излечить влияние ошибок магнитного поля. Однако рябь поля никогда не может быть полностью устранена, и до сих пор не существовало оптимального метода смягчения ее последствий.

Недавно открытый метод предусматривает обман вращающихся частиц плазмы путем устранения ошибок магнитного поля на пути, по которому они движутся. "Способ сохранить вращение, обеспечивая стабильность, заключается в изменении формы магнитного поля таким образом, чтобы частицы обманывались, думая, что они не движутся в волнистом магнитном поле", - сказал физик PPPL Джонг-Кю Пак, ведущий автор статьи в Письма с физическим обзором (PRL), который предлагает решение. "Нам нужно сделать 3D-поле внутри плазмы квазисимметричным, чтобы обмануть частицы и заставить их вести себя так, как будто поля на них не влияют", - сказал Парк.

Квазисимметрия

Квазисимметрия, форма симметрии магнитного поля, введенная физиками, изучающими извилистые системы магнитного удержания, называемые стеллараторами, может быть использована для минимизации негативных эффектов 3D-полей в токамаках. Такая минимизация может улучшить как удержание энергии, так и стабильность плазмы за счет усиления ее вращательного потока.

"Если вы сможете модифицировать эти 3D-поля, чтобы уменьшить тенденцию частиц дрейфовать в сторону от того места, где они начались, тогда мы сможем поддерживать естественное вращение плазмы и удержание частиц и тепла", - сказал физик PPPL Раффи Назикян, соавтор статьи.

Парк и его коллеги продемонстрировали использование квазисимметрии для того, чтобы сделать в основном безвредными колебания поля ошибок в токамаках. Испытания на Национальной термоядерной установке DIII-D в General Atomics (GA) в Сан-Диего и корейском центре перспективных исследований сверхпроводящего токамака (KSTAR) в Южной Корее показали положительные результаты. Согласно документу, этот процесс "обеспечивает надежный путь комплексной оптимизации поля ошибок при термоядерном сжигании плазмы".

Хотя такая оптимизация будет жизненно важна, ученые обычно используют колебания магнитного поля для решения других проблем. Например, на DIII-D исследователи использовали специальные катушки для уменьшения или устранения краевых локализованных мод (ELM) - взрывных всплесков тепла, которые могут повредить внутреннюю часть токамаков.

Важные примеры

Такие случаи являются наиболее важным примером правильного использования ripples, и новые результаты знаменуют собой прорыв в борьбе с плохими случаями. "Джонг-Кю вывел алгоритмы адаптации сложных трехмерных магнитных полей токамака на новый уровень", - сказал Карлос Пас-Солдан, соавтор статьи, физик III степени, а ныне адъюнкт-профессор Колумбийского университета. "Эта структура, безусловно, станет основой для разработки будущих стратегий контроля на этих месторождениях", - сказал Пас-Солдан.

Ученые также активно развивают концепцию квазисимметрии для оптимизации конструкции термоядерных установок stellarator, которые по своей сути работают с 3D-полями. Концепция продемонстрировала успех в минимизации потерь тепла и частиц в стеллараторах, что является давней проблемой установок в форме круллера, которые используют набор сложных витых катушек, которые закручиваются спиралью, как полоски на леденцовой палочке, для создания магнитных полей.

Работа стелларатора иллюстрирует широкую применимость квазисимметрии в исследованиях термоядерного синтеза. Следующим шагом, по словам Парка, будет применение концепции к ITER, "чтобы мы могли проделать хорошую работу по исправлению полей ошибок в этом токамаке".

Соавторами этой статьи являются физики из PPPL, General Atomics и Корейского института термоядерной энергии. Поддержка этой работы исходит от Управления науки Министерства образования и науки Кореи и Министерства науки и ИКТ.