Ученые РФ впервые отследили поведение плазмы на периферии термоядерного реактора

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН впервые в мире экспериментально определили, как меняются электрическое поле и скорость вращения плазмы на периферии термоядерной установки во время так называемых малых ELM-всплесков. Это позволяет ученым точно понять и математически описать процессы, происходящие на краю плазмы, чтобы научиться управлять ими в термоядерных реакторах будущего, сообщила пресс-служба университета.

«Эксперименты показали, что во время ELM резко растут температура и концентрация плазмы в приграничной области, заметно изменяются токи в области вне плазмы, происходит перенос и ускорение быстрых ионов, а также потери надтепловых электронов, формируются плазменные филаменты. Было показано, что скорость вращения плазмы возрастает во время ELM, причем эффект распространяется на несколько сантиметров внутрь плазмы, а не ограничивается узким слоем развития ELM, как считалось ранее. И все это происходит за микросекунды, то есть чрезвычайно быстро. По отдельности малые ELM выглядят безобидно, но вместе формируют интенсивную и сложную динамику периферии плазмы. Малые ELM — это не просто ослабленные всплески, а самостоятельный динамический режим, в котором периферия плазмы живет по своим быстрым и сложным законам», — отметил лаборант-исследователь Научной лаборатории перспективных методов исследования плазмы сферических токамаков Физико-механического института СПбПУ Арсений Токарев.

Исследования проводились на сферическом токамаке «Глобус-М2». В термоядерных устройствах плазма удерживается магнитным полем в так называемом H-режиме (режиме улучшенного удержания), когда на краю плазмы формируется невидимый барьер, удерживающий тепло. Периферийные локализованные моды возникают из-за колоссальной разницы давления на этом барьере и играют роль предохранительного клапана, периодически стравливая избыточную энергию.

Ученые выяснили, что во время малых ELM температура электронов в приграничной зоне возрастает в пять раз, а концентрация плазмы — в два раза. Скорость вращения плазмы увеличивается на 50%, и этот эффект проникает на несколько сантиметров вглубь, а не ограничивается узкой областью, как считалось ранее. Кроме того, были зафиксированы ускорение быстрых ионов и формирование плазменных филаментов (нитевидных структур), движущихся со скоростью до 10 км/с.

По словам заведующего лабораторией «Диагностика высокотемпературной плазмы» СПбПУ Александра Яшина, полученные данные критически важны для перехода от коротких экспериментальных импульсов к долгой и непрерывной работе будущих термоядерных реакторов. Режимы с малыми ELM считаются основными кандидатами для такой работы, и новое понимание физики процессов позволит инженерам осознанно управлять нагрузками на стенки установки, делая термоядерную энергетику предсказуемой и надежной.

Исследования выполнены на оборудовании Федерального центра коллективного пользования «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» ФТИ им. А. Ф. Иоффе.