Специалисты Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) определили механизм, обуславливающий неравномерное распределение потоков частиц в термоядерных установках типа токамак. Ранее инженеры сталкивались с технической проблемой: данные экспериментов стабильно показывали, что на внутренние пластины дивертора – системы вывода отработанного тепла и частиц – попадает существенно больше вещества, чем на внешние. Существовавшие математические модели не могли точно воспроизвести этот дисбаланс, что затрудняло проектирование узлов для будущих электростанций.
В токамаках сверхгорячее вещество удерживается магнитными полями в камере, имеющей форму тороида. Часть ионов неизбежно покидает центральную зону и направляется к дивертору, где частицы сталкиваются с металлическими элементами, остывают и возвращаются в цикл. Понимание точной траектории их движения необходимо для создания материалов, способных выдержать экстремальные термические нагрузки в промышленных реакторах. До сих пор основная гипотеза строилась на дрейфе частиц поперек силовых линий магнитного поля, однако расчеты, учитывающие только этот фактор, расходились с реальностью.
В работе, результаты которой опубликованы в журнале Physical Review Letters, физики доказали, что на итоговый результат влияет тороидальное вращение плазмы. Речь идет о движении вещества вдоль кольца токамака, которое создает параллельные потоки, сопоставимые по значимости с поперечным дрейфом. Для проверки теории авторы применили специализированный код SOLPS–ITER, смоделировав процессы в американском токамаке DIII–D в Калифорнии. В ходе симуляций исследователи протестировали несколько сценариев, и совпадения с экспериментальными показателями удалось достичь только при включении в расчеты реальной скорости вращения ядра плазмы, составляющей 88,4 километра в секунду.
Как пояснил ведущий автор исследования Эрик Эмди, ранее научное сообщество фокусировалось преимущественно на боковом смещении частиц. Теперь установлено, что вращение плазменного шнура определяет асимметрию потоков в той же степени, что и поперечный дрейф. Учет этой взаимосвязи позволит конструкторам проектировать более устойчивые к износу диверторы, ориентируясь на конкретные условия эксплуатации будущих энергетических систем. Это решение критически важно для перехода от лабораторных испытаний к созданию реакторов, способных работать в непрерывном режиме.
