Изследователи, ръководени от Чан Лиу (Chang Liu) от Лабораторията по физика на плазмата в Принстън (PPPL-Princeton Plasma Physics Laboratory), представят обещаващ подход за намаляване на вредните изтичащи електрони, създадени при смущенията в съоръженията за термоядрен синтез от типа токамак.

Основен момент в подхода е използването на уникален вид плазмена вълна, която носи името на астрофизика Ханес Алфвен, Нобелов лауреат за 1970 г.

Отдавна е известно, че вълните на Алфвен разхлабват ограничаването на високоенергийните частици в реакторите токамак, като позволяват на някои от тях да се разсеят и намаляват ефективността на съоръженията. Новите открития на Чан Лиу и изследователи от General Atomics, Колумбийския университет и PPPL обаче разкриват благоприятни резултати в случай на изтичане на електрони.

Термоядреният синтез

На ядрения синтез се гледа като на потенциално неограничен източник на чиста енергия, създаван от същите процеси в ядрото на Слънцето. При използване на интензивна топлина, магнитни полета и налягане ядрата на по-леките елементи се сливат, за да се  създадат по-тежки елементи, като при това се освобождава енергия. Като задържат този подобен на звездния процес в специално проектирани реактори, инженерите могат да слеят водородни атоми, за да произведат хелий, използвайки произведената чиста енергия и потенциално намалят зависимостта от изкопаеми горива. За да се осъществи реакцията, свръхнагрятият газ - в състояние на плазма - се подлага на налягане, което по същество притиска атомите един към друг и ги принуждава да реагират.

Как работи токамакът?

Електрическо поле, създадено от трансформатор, задвижва ток (големите червени стрелки) през плазмената колона. В резултат на това се образува полоидално магнитно поле, което компресира плазмения поток по такъв начин, че той придобива формата на кръг в разрез (зелените вертикални кръгове). Във вътрешността на корпуса с формата на поничка се създава вакуум, а компресираната по този начин колона предотвратява дезинтеграцията. Другото магнитно поле, което протича по цялото тяло, се нарича тороидално (зелените хоризонтални линии). Комбинацията от тези две полета създава спираловидна триизмерна крива (показана в черно), която може да поддържа плазмата.

ЗАБЕЛЕЖИТЕЛЕН ЦИКЪЛ

Учените установяват, че появата на вълните на Алфвен може да разсее или разпръсне високоенергийните електрони, преди да прераснат в лавина, която да повреди компонентите на токамака. Този процес е определен като забележително цикличен: Разсейването създава нестабилност, която поражда вълни на Алфвен, които не позволяват процесът да стане лавинообразен.

"Тези открития дават цялостно обяснение за прякото наблюдение на Алфвенови вълни при експерименти с прекъсвания", отбелязва Лиу, щатен изследовател в PPPL и водещ автор на статията, в която подробно са описани резултатите, публикувана във Physical Review Letters. "Откритията установяват ясна връзка между тези режими и генерирането на изтичащи електрони."

Изследователите извеждат теория за забележителния цикличен характер (кръгова форма) на тези взаимодействия. Резултатите съвпадат добре с изпусканията при експерименти на Националното съоръжение за термоядрен синтез DIII-D, токамак на американското Министерство на енергетиката, който General Atomics експлоатира. Тестовете на теорията са положителни и на суперкомпютъра Summit в Националната лаборатория Oak Ridge.

"Работата на Чан Лиу показва, че размерът на популацията на изтичащите електрони може да се контролира от нестабилности, задвижвани от самите изтичащи електрони", обяснява Феликс Пара Диас (Felix Parra Diaz), ръководител на отдела по теория в PPPL. "Изследванията му са много интересни, тъй като могат да доведат до проекти на токамаци, които по естествен начин да смекчават уврежданията от изпуснатите електрони заради присъщите нестабилности."

ТЕРМИЧНИ УГАСИТЕЛИ

Смущенията започват с резки спадове на милионните температури, необходими за реакциите на термоядрен синтез. Тези спадове, наречени "термични угасители", освобождават лавини от изтичащи електрони, подобни на свлачищата, предизвикани от земетресения.

"Контролирането на смущенията е първостепенно предизвикателство за успеха на токамаците", смята Лиу.

Реакциите на термоядрен синтез комбинират леки елементи под формата на плазма - горещо, заредено състояние на материята, съставено от свободни електрони и атомни ядра, наречени йони, за да освободят огромната енергия, която захранва слънцето и звездите. По този начин намаляването на риска от смущения и изпускане на електрони би било от изключителна полза за съоръженията токамак, предназначени за възпроизвеждане на процеса.

По този начин намаляването на риска от смущения и изтичане на електрони би било от изключителна полза за съоръженията на токамака, предназначени за възпроизвеждане на процеса.

(а) Честота (синя линия), скорост на нарастване (червена линия) и затихване на сблъсъците (зелена линия) на доминиращата CAE от линейна симулация с използване на различна енергия на RE ( p0 ). Двете прекъснати линии маркират линейната и квадратичната функция на енергията на RE. Структурата на режимите ( δB∥ ) на двата собствени режима, съответстващи на честоти от 0,50 MHz и 0,93 MHz, са показани в (b) и (c). Кредит: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.085102

Новият подход би могъл да има значение за напредъка на ITER - международния токамак, който се изгражда във Франция, за да демонстрира практическата приложимост на енергията от термоядрен синтез, и би могъл да отбележи ключова стъпка в разработването на електроцентрали за термоядрен синтез.

"Нашите открития създават предпоставки за създаване на нови стратегии за смекчаване на въздействието на изтичащите електрони", заявява Лиу. Сега на етап планиране са експериментални кампании, в които и трите изследователски центъра имат за цел да доразвият забележителните открития за изтичането на електроните.

Chang Liu et al, Self-Consistent Simulation of the Excitation of Compressional Alfvén Eigenmodes and Runaway Electron Diffusion in Tokamak Disruptions, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.085102

A breakthrough discovery could accelerate the arrival of controlled fusion energy on Earth, John Greenwald, Princeton Plasma Physics Laboratory