Физики из Принстонского университета с помощью гидрокинетического кода XGC1 смоделировали поведение нейтральных атомов, возникающих при взаимодействии горячей плазмы со стенками токамака, и проанализировали их влияние на возникновение турбулентностей и неустойчивостей в плазменном шнуре. Научная статья опубликована в журнале Nuclear Fusion, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе на сайте лаборатории.

Предполагается, что будущие термоядерные реакторы по принципу токамака будут работать в режиме улучшенного удержания плазмы, так называемом режиме Н-моды. При нем тепловые потери плазмы резко снижаются, а температура в центре плазменного шнура нарастает при увеличении мощности дополнительного нагрева, что позволяет сильно увеличить энерговыделение и сделать реактор более выгодным. В то же время способы перевода из режима L-моды (режима слабого удержания) в режим Н-моды на настоящий момент недостаточно изучены.

Горение плазмы в токамаке NSTX в режиме Н-моды. NSTX-U Team

Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на L-Н-переход, является наличие в вакуумной камере токамака нейтральных атомов. Нейтральные атомы водорода возникают вблизи поверхности плазменного шнура в результате различных взаимодействий частиц в плазме. Примерами таких взаимодействий могут служить перезарядка ионов на атомах и диссоциация молекул. Атомы, обладающие наиболее высокой энергией (порядка 3 электронвольт), и, как следствие, наибольшими длинами свободного пробега, проникают внутрь плазменного шнура, где взаимодействуют с ионами и охлаждают их, отбирая энергию, что приводит к увеличению градиента ионной температуры (под температурой ионов имеется ввиду их энергия) от центра к периферии шнура.

Полученные результаты показали, что уменьшение энергии ионов, возникающее вследствие взаимодействия ионов с нейтральными атомами, приводит к усилению турбулентных процессов в плазме. Причем это усиление происходит не только в области непосредственного взаимодействия нейтральных атомов с ионами, но и вдоль всей траектории движения охлажденных ионов. Наличие турбулентностей провоцирует образование неустойчивостей, из-за чего плазму становится сложнее удерживать долгое время. Кроме того из-за неустойчивостей плазма может «выплеснуться» на стенки вакуумной камеры и повредить их. Также было обнаружено, что наличие нейтральных атомов у стенок камеры приводит к снижению скорости дрейфа частиц плазмы в радиальном направлении, то есть к тому, что плазменный шнур медленнее расплывается к стенкам реактора. Это важное наблюдение может быть использовано в дальнейших экспериментах по магнитному удержанию плазмы.

В будущем физики планируют сравнить полученные результаты численного моделирования с результатами экспериментальных наблюдений, а также осуществить более полное моделирование с учетом большего количества процессов, например, включить в рассмотрение подвижные электроны.

Ранее мы рассказывали о первой плазме в новом английском токамаке ST40, принадлежащем частной компании, о новом рекорде по времени удержания плазмы в магнитном поле в режиме Н-моды, а также об успехах нового немецкого экспериментального термоядерного реактора Wendelstein 7-X.

Автор: Александр Войтюк