Запропоновано нове пояснення межі Грінвальда в плазмі токамаків

Фізики Луїс Дельгадо-Апарисио і Девід Гейтс з Прінстонської лабораторії фізики плазми (США) зосередили свої дослідження на крихітних пузыревидных утвореннях в плазмі токамаків — експериментальних термоядерних реакторів, що колись, можливо, стануть основою для нової енергетики. За їх розрахунками, представленому в недавньому випуску журналу Physical Review Letters, після досягнення межі Грінвальда такі бульбашки починають випромінювати тепло в усі великих кількостях, охолоджуючи плазму і не дозволяючи їй досягти потрібної температури і щільності.

Хоча прогрес у будівництві токамаків наявності, практично всі фізики згодні з тим, що лише при Q ~ 30 (тобто при отриманні від ядерного синтезу в 30 разів більшої кількості енергії, ніж витрачається на підігрів та утримання плазми, в якій він відбувається) можна буде говорити про економічно доцільних термоядерних реакторах у великій енергетиці. Довгий час дослідники запевняли, що наявні труднощі носять чисто інженерний характер, а з теоретичної точки зору все вже ясно, «іншого в нас немає шляху», а наступна зупинка буде в світі дешевої термоядерної енергії. Залишилося тільки розробити більш потужні магніти для утримання плазми, і… Схоже, все дещо складніше, а з теоретичної точки зору — цікавіше.

Луїс Дельгадо-Апарисио (ліворуч) і Девід Гейтс сяють оптимізмом — вони вирішили питання, яке десятиріччя не мав чіткого теоретичного пояснення. (Фото Elle Starkman / PPPL Office of Communications.)

У плазмі токамаків є включення, «острівці», схожі на бульбашки, які роблять, згідно з новим дослідженням, неможливим вирішення проблеми економічно ефективного термоядерного синтезу в сьогоднішніх токамаках типу будується ITER. «Бульбашки» — це частинки плазми, які відбилися від магнітного поля, що утримує плазмовий шнур в токамаке. Коли це магнітне поле посилюється, або температура плазми досягає певного рівня, ці «острівці» ростуть і зливаються, в результаті чого плазма втрачає потрібні характеристики, пояснює пан Дельгадо-Апарисио. Бар’єром тут служить межа Грінвальда, операційний ліміт щільності в пристроях магнітного утримання токамаків, перевищення якого зазвичай призводить до втрати стабільності утримуваної плазми.

Крім того, вчені припускають, що поряд зі зростанням відведенням тепла від плазми бульбашки ще й блокують надходження додаткового зовнішнього тепла до решти ділянок нормальної плазми. У момент досягнення межі Грінвальда омічний нагрів вже постачає менше енергії, ніж відводять від плазми бульбашки, тому навіть багаторазове збільшення кількості енергії, що подається до плазмі токамаків, не вирішить проблеми створення досить високої температури і тиску, які могли б забезпечити економічно доцільну термоядерну реакцію.

Як з цим боротися? Фізики вважають, що можна спробувати направити енергію нагрівання плазми безпосередньо в пухирці і тим самим досягти її більшої щільності. Іншим шляхом є подальше вивчення властивостей бульбашок і більш детальне розуміння причин їх формування. Якщо їх утворення провокується якимись сторонніми факторами, не обов’язково притаманними термоядерного синтезу, то їх виключення з умов протікання реакції може істотно полегшити досягнення критичної температури і щільності.

Нагадаємо, раніше вважалося, що в міру зростання температури і тиску в плазмі зростали і виникаючі в ній флуктуації, виключали функціонування омічного нагрівання і перешкоджали подальшому зростанню щільності. Такий підхід практично виключав активну боротьбу з явищем (випадкові флуктуації — випадкові і є).

Теорію збираються перевірити найближчим часом на токамаках Alcator C-Mod (Массачусетський технологічний інститут) і DIII-D (General Atomics).

Під ITER (схема) зараз як раз заливають фундаменти. А ось з теоретичним фундаментом все не так виразно. (Ілюстрація ITER.)

Підготовлено за матеріалами Прінстонської лабораторії фізики плазми.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *