Термоядерный синтез стал на еще один шаг ближе

Чтобы создать необходимые условия для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза, построены специальные установки, получившие название «Токамак». Это сокращение от ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Основной смысл такой установки — удержание раскаленной до 100 млн градусов плазмы в пределах устройства, ведь никакой из известных материалов выдержать подобную температуру не сможет.

Самое сложное на сегодняшний день – это длительное удержание стабильной реакции в магнитном поле. Время от времени в плазме образовываются пилообразные нестабильные циркуляции, которые наравне с другими возникающими нестабильностями прекращают процесс. Тем не менее, существуют некоторые плазмы, свободные от таких циркуляций благодаря механизму, не дававшему покоя ученым весьма долгое время.

И вот, буквально неделю назад исследователи из подразделения Энергетики Принстонской лаборатории плазменной физики разработали сложнейший процесс симуляции, который открывает физику процесса этого механизма, носящий название «нагнетание магнитного потока». Полное понимание этого процесса даст возможность «оседлать» энергию термоядерного синтеза.

Реакция термоядерного синтеза лежит в основе жизнедеятельности всей нашей Вселенной. Благодаря этой реакции на нашем небосклоне сияет Солнце, и мы можем видеть множество звезд. Суть реакции представляет собой сплавление легких элементов в виде плазмы — горячего заряженного состояния материи, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести такое слияние на Земле для получения практически неисчерпаемого источника энергии.

Механизм «нагнетания магнитного потока» ограничивает ток в сердцевине плазмы, протекающий по плазменному шнуру, который дополняет магнитное поле. Данная особенность ограничивает протекающий ток таким образом, что пилообразная нестабильность просто не возникает.

В ходе моделирования пульсация магнитного потока развивалась по «гибридным» сценариям, находящимся между стандартными режимами, включающими H-mode и L-mode, и по продвинутым сценариям, когда плазма действует в устойчивом состоянии. Оказалось, что в гибридных сценариях ток в ядре плазмы оставался ровным, хотя давление плазмы было достаточно высоким.

Эта комбинация создает так называемый «квази-обменный режим», который действует как миксер, который возбуждает плазму при деформировании магнитного поля. Миксер производит мощный эффект, который поддерживает плоскостность тока и препятствует формированию пилообразной неустойчивости. Аналогичный процесс поддерживает магнитное поле, которое защищает Землю от космических лучей, причем расплавленная жидкость в железном сердечнике планеты служит в качестве миксера.

Симуляция показала, что процесс является саморегулирующимся. При сильном нагнетании магнитного потока, ток в сердцевине плазмы остается «чуть ниже порога, необходимого для образования пилообразной неустойчивости». Оставаясь ниже порогового значения, ток удерживает температуру и плотность плазмы от колебаний, тем самым давая начало стабильному протеканию реакции термоядерного синтеза.

Все эти новые открытия и прорывы являются маленькими винтиками для крупного международного эксперимента, носящего название ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor; в настоящее время название связывается с латинским словом iter — путь) — проект международного экспериментального термоядерного реактора. Его задача заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Располагается комплекс на юге Франции в 60 км от Марселя.