PRL: распределение частиц плазмы определяется вращением самой плазмы

Ученые смогли объяснить странный эффект, который десятилетиями наблюдали в токамаках — установках для управляемого термоядерного синтеза. Оказалось, что распределение частиц плазмы определяется не только магнитными эффектами, но и вращением самой плазмы. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Токамаки — это установки в форме "бублика", где сверхгорячая плазма удерживается магнитным полем.

Часть частиц неизбежно покидает центральную область и попадает в специальную зону отвода — дивертор. Там они охлаждаются, сталкиваясь с металлическими пластинами.

Однако эксперименты постоянно показывали странную асимметрию: на внутреннюю часть дивертора падает значительно больше частиц, чем на внешнюю. Это создавало серьезную проблему для будущих реакторов — инженерам нужно точно знать, где сосредоточится тепловая нагрузка.

Долгое время считалось, что причина — в так называемых поперечных дрейфах частиц (их движении через магнитные линии). Но модели, учитывающие только этот эффект, не совпадали с экспериментами. Теперь исследователи нашли недостающий фактор — вращение плазмы внутри реактора.

"В плазме есть два типа движения: поперечное — через магнитное поле, и продольное — вдоль него. Многие считали, что асимметрию создает только поперечный поток. Но оказалось, что движение вдоль линий поля, вызванное вращением плазмы, не менее важно", — объяснил Эрик Эмди из Принстонской лаборатории физики плазмы.

Ученые провели моделирование с помощью кода SOLPS-ITER и протестировали несколько сценариев. Они поочередно включали и выключали разные эффекты. Результат оказался однозначным: ни одна модель не совпадала с экспериментами, пока в нее не добавили скорость вращения плазмы — около 88,4 км/с.

Только при учете одновременно двух факторов — поперечных дрейфов и вращения — удалось точно воспроизвести реальное распределение частиц в диверторе.

Это открытие важно не только для теории, но и для практики. Понимание того, как именно плазма "вытекает" из реактора, позволит точнее проектировать диверторы — ключевые элементы, которые должны выдерживать экстремальные температуры и нагрузки. В перспективе такие результаты приближают создание стабильных термоядерных реакторов, способных вырабатывать энергию уже вне лабораторий.