Ядерный синтез считается следующим большим достижением человечества в области сбора энергии, но создание реактора, способного обеспечить непрерывную выработку электроэнергии, оказалось огромной технической головной болью. Одной из самых больших проблем является плазма, сверхгорячее состояние материи, необходимое для того, чтобы частицы сталкивались и выделяли энергию. Удерживание этой плазмы и поддержание экстремальной температуры является решающим шагом, который на протяжении многих лет озадачивал исследователей. Теперь Национальный институт термоядерной науки (NIFS) в Японии утверждает, что совершил прорыв, который позволяет нам понять поведение движений плазмы в реакции ядерного синтеза.
Подобно турбулентности воздушного потока в самолетах, плазма в термоядерном реакторе также демонстрирует турбулентность. В идеале тепло в плазме должно распространяться равномерно, идя от центра к периферийным областям камеры содержания. Однако из-за турбулентности тепло может перемещаться и в другие области довольно беспорядочным образом. Впервые команда NIFS подробно описала роль плазменной турбулентности в качестве транспортера и соединителя. Когда газ нагревается и превращается в плазму, транспортирующая турбулентность постепенно переносит тепло от центра к границе. Однако турбулентность плазмы соединителя может соединить всю плазму в камере примерно за 1/10 000 секунды.
Исследователи также заметили, что существует обратная зависимость между приложенным теплом и эффектами поведения плазмы в разъеме. Проще говоря, чем меньше время нагрева, тем сильнее турбулентность плазмы разъема, и как следствие, тепло распространяется быстрее. Наблюдения были сделаны с помощью Большого спирального устройства (LHD), что стало первым случаем, когда ученым удалось экспериментально доказать роль плазмы в термоядерном реакторе как «теплоносителя» и «теплосоединителя».
Почему это важно?
Тепло, или высокая температура, является секретным соусом для реакций ядерного синтеза. Плазму, нагретую до температуры 100 миллионов градусов, необходимо поддерживать в этом состоянии с помощью сверхпроводящих магнитов. Если он коснется стенок реактора, то сразу остынет. Проще говоря, ограничение его содержания и поддержание температуры чрезвычайно важны. Вот тут-то плазменная турбулентность может испортить вечеринку. По мнению экспертов NISF, турбулентность может «ослабить герметичность, вынося тепло наружу». Чуть больше года назад Министерство энергетики США также подчеркнуло важность неустойчивых температур в плазме. В агентстве рассказали, как температурные градиенты приводят к созданию плазменных островов, способных «разрушить» магнитное поле. Послание ясно. Тепловое поведение плазмы необходимо правильно понимать. И здесь на сцену выходит последний прорыв NISF.
Теперь, когда команда имеет более глубокое понимание того, как тепло распространяется в плазме, они могут объяснить изменения, вызванные турбулентностью соединителя и носителя. И что еще более важно, теперь они понимают, как время нагрева влияет на такое поведение. Это дает ученым важную информацию, которая может помочь более точно предсказать изменения температуры в плазме и, соответственно, разработать методы контроля нагрева. Улучшенный контроль над температурой и нагревом плазмы является фундаментальным аспектом достижения контролируемого и стабильного ядерного синтеза.
«Это исследование предоставляет первые недвусмысленные экспериментальные доказательства давно выдвинутых гипотез о медиаторных путях, подтверждая ключевые теоретические предсказания в физике плазмы», — написала команда в исследовательской статье, опубликованной в журнале Communications Physics. Команда утверждает, что их результаты помогут более эффективно прогнозировать и контролировать распространение тепла в термоядерных реакторах, и что сейчас они разрабатывают метод, который позволит более эффективно контролировать турбулентность плазмы.
