24.04.2012

Предложено новое объяснение предела Гринвальда

Физики Луис Дельгадо-Апарисио и Дэвид Гейтс из Принстонской лаборатории физики плазмы (США) сосредоточили своё исследование на крохотных пузыревидных образованиях в плазме токамаков — экспериментальных термоядерных реакторов, которые однажды, возможно, станут основой для новой энергетики. По их расчётам, представленным в недавнем выпуске журнала Physical Review Letters, после достижения предела Гринвальда такие пузырьки начинают излучать тепло во всё бoльших количествах, охлаждая плазму и не позволяя ей достичь нужной температуры и плотности.

Хотя прогресс в строительстве токамаков налицо, практически все физики согласны с тем, что лишь при Q ~ 30 (то есть при получении от ядерного синтеза в 30 раз большего количества энергии, чем затрачивается на подогрев и удержание плазмы, в которой он происходит) можно будет говорить об экономически целесообразных термоядерных реакторах в большой энергетике. Долгое время исследователи уверяли, что имеющиеся трудности носят чисто инженерный характер, а с теоретической точки зрения всё уже ясно, «иного нет у нас пути», а следующая остановка будет в мире дешёвой термоядерной энергии. Осталось только разработать чуть более мощные магниты для удержания плазмы, и... Похоже, всё несколько сложнее, а с теоретической точки зрения — интереснее.

В плазме токамаков есть включения, «островки», похожие на пузырьки, которые, согласно новому исследованию, делают невозможным решение проблемы экономически эффективного термоядерного синтеза в сегодняшних токамаках вроде строящегося ITER. «Пузырьки» — это частицы плазмы, которые отразились от магнитного поля, удерживающего плазменный шнур в токамаке. Когда это магнитное поле усиливается или температура плазмы достигает определённого уровня, такие «островки» растут и сливаются, в результате чего плазма теряет нужные характеристики, поясняет г-н Дельгадо-Апарисио. Барьером здесь служит предел Гринвальда, операционный лимит плотности в устройствах магнитного удержания токамаков, превышение которого обычно приводит к потере стабильности удерживаемой плазмы.

Кроме того, учёные предполагают, что, наряду с усиливающимся отводом тепла от плазмы, пузырьки ещё и блокируют поступление дополнительного внешнего тепла к остальным участкам нормальной плазмы. В момент достижения предела Гринвальда омический нагрев уже поставляет меньше энергии, чем отводят от плазмы пузырьки, поэтому даже многократное увеличение количества энергии, подаваемой к плазме токамаков, не решит проблемы создания достаточно высокой температуры и давления, которые могли бы обеспечить экономически целесообразную термоядерную реакцию.

Как с этим бороться? Физики полагают, что можно попытаться направить энергию нагрева плазмы непосредственно в пузырьки и тем самым достичь её большей плотности. Другим путём является дальнейшее изучение свойств пузырьков и более детальное понимание причин их формирования. Если их образование провоцируется какими-то сторонними факторами, не обязательно присущими термоядерному синтезу, то их исключение из условий протекания реакции может существенно облегчить достижение критической температуры и плотности.

Напомним: раньше считалось, что по мере повышения температуры и давления в плазме росли и возникающие в ней флуктуации, исключавшие функционирование омического нагрева и препятствовавшие дальнейшему росту плотности. Такой подход практически исключал активную борьбу с явлением (случайные флуктуации случайные и есть).

Теорию собираются проверить в ближайшее время на токамаках Alcator C-Mod (Массачусетский технологический институт) и DIII-D (General Atomics).

Подготовлено по материалам Принстонской лаборатории физики плазмы.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА