В своем постоянном стремлении разработать ряд методов управления плазмой, чтобы ее можно было использовать для выработки электричества в процессе, известном как термоядерный синтез, исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) показали, как два старых методы можно комбинировать для обеспечения большей гибкости.
Хотя эти два метода — известные как управление электронным циклотронным током (ECCD) и применение резонансных магнитных возмущений (RMP) — уже давно изучаются, исследователи впервые смоделировали, как их можно использовать вместе для улучшения контроля над плазмой.
«Это своего рода новая идея», — сказал Цимин Ху, штатный физик-исследователь PPPL и ведущий автор новой статьи, опубликованной в журнале. Термоядерная реакция о работе, которая также была продемонстрирована экспериментально. «Полные возможности все еще выясняются, но наша статья помогает нам лучше понять потенциальные преимущества».
В конечном итоге ученые надеются использовать термоядерный синтез для производства электроэнергии. Во-первых, им придется преодолеть несколько препятствий, в том числе совершенствование методов минимизации всплесков частиц из плазмы, известных как моды с краевой локализацией (ELM).
«Периодически эти всплески ослабляют небольшое давление, потому что оно слишком велико. Но эти всплески могут быть опасными», — сказал Ху, который работает в PPPL в Национальном термоядерном комплексе DIII-D, пользовательском объекте Министерства энергетики, принадлежащем General Atomics. DIII-D — это токамак, устройство, которое использует магнитные поля для удержания термоядерной плазмы в форме пончика. ELM могут остановить реакцию синтеза и даже повредить токамак, поэтому исследователи разработали множество способов избежать их.
«Лучший способ избежать их — применить резонансные магнитные возмущения, или RMP, которые генерируют дополнительные магнитные поля», — сказал главный физик-исследователь PPPL Алессандро Бортолон, который был одним из соавторов статьи.
Магнитные поля создают острова, а микроволны регулируют их
Магнитные поля, первоначально приложенные токамаком, наматываются вокруг плазмы в форме тора, как по длинному пути — вокруг внешнего края, так и по короткому пути — от внешнего края и через центральное отверстие. Дополнительные магнитные поля, создаваемые РМП, проходят сквозь плазму, вплетаясь и растекаясь, как канализационный шов. Эти поля создают овальные или круговые магнитные поля в плазме, называемые магнитными островами.
«Обычно острова в плазме очень, очень плохие. Если острова слишком велики, то сама плазма может разрушиться».
Однако исследователи уже экспериментально знали, что при определенных условиях острова могут принести пользу. Самое сложное — создать RMP, достаточно большие для создания островов. Вот тут-то и приходит на помощь ECCD, который, по сути, представляет собой инжекцию микроволнового луча. Исследователи обнаружили, что добавление ECCD к краю плазмы снижает количество тока, необходимое для генерации RMP, необходимых для образования островов.
Инжекция микроволнового луча также позволила исследователям усовершенствовать размер островков для обеспечения максимальной стабильности границ плазмы. Образно говоря, RMP действуют как простой выключатель света, который включает острова, а ECCD действует как дополнительный диммер, который позволяет исследователям настраивать острова до идеального размера для управляемой плазмы.
«Наша симуляция улучшает наше понимание взаимодействия в игре», — сказал Ху. «Когда ECCD добавлялся в том же направлении, что и ток в плазме, ширина острова уменьшалась, а давление на пьедестале увеличивалось. Применение ECCD в противоположном направлении дало противоположные результаты: ширина острова увеличилась, а давление на опору упало или облегчило открытие острова».
ECCD на краю, а не в ядре
Исследование также примечательно тем, что ECCD был добавлен к краю плазмы, а не к ядру, где он обычно используется.
«Обычно люди думают, что применение локализованного ECCD на краю плазмы рискованно, поскольку микроволны могут повредить компоненты внутри сосуда», — сказал Ху. «Мы показали, что это выполнимо, и продемонстрировали гибкость подхода. Это может открыть новые возможности для проектирования будущих устройств».
За счет снижения величины тока, необходимого для генерации RMP, эта работа по моделированию может в конечном итоге привести к снижению стоимости производства термоядерной энергии в термоядерных устройствах будущего коммерческого масштаба.