Группа ученых, во главе с Чангом Лю из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL), представила инновационный метод смягчения разрушительных последствий убегающих электронов, которые возникают при сбоях в термоядерных устройствах типа токамак. Ключевой особенностью этого подхода является использование специфического вида плазменных волн, названных в честь астрофизика Ханнеса Альфвена, лауреата Нобелевской премии 1970 года.
Долгое время известно, что альфвеновские волны могут уменьшать удержание высокоэнергетических частиц в реакторах токамака, что позволяет некоторым из этих частиц ускользнуть, что в свою очередь снижает эффективность устройств. Но совместные исследования Чанга Лю и специалистов из General Atomics, Колумбийского университета и PPPL выявили потенциал положительных результатов в отношении убегающих электронов.
Исследователи обнаружили, что эти альфвеновские волны могут рассеивать высокоэнергетические электроны, предотвращая их превращение в разрушительные лавины, которые могут повредить компоненты токамака. Оказалось, что этот процесс обладает цикличным характером: убегание электронов порождает нестабильность, которая, в свою очередь, вызывает альфвеновские волны, предотвращая формирование лавин.
Чанг Лю, главный исследователь PPPL и ведущий автор статьи, подчеркнул:
Эти открытия предоставляют подробное объяснение альфвеновских волн и их влияния на убегающие электроны в термоядерных реакторах. Результаты исследования устанавливают четкую связь между этими явлениями и возникновением проблем с убегающими электронами.
Ученые разработали теорию, объясняющую цикличность этих взаимодействий. Эксперименты в Национальной термоядерной установке DIII-D, эксплуатируемой General Atomics под эгидой Министерства энергетики, подтвердили результаты этой теории, и она была успешно протестирована на суперкомпьютере Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Феликс Парра Диас, руководитель теоретического отдела PPPL, подчеркнул, что:
Работа Чанга Лю показывает, что уровень убегающих электронов может быть контролирован путем нестабильности, вызванной этими же электронами. Его исследование открывает путь к созданию токамаков, которые естественным образом снижают повреждения от убегающих электронов благодаря внутренней нестабильности.
Проблемы с убегающими электронами возникают при резком снижении температуры в миллионах градусов, необходимой для запуска термоядерных реакций. Эти убегающие электроны, называемые "термическими закалками", могут порождать разрушительные лавины, подобные землетрясениям. Стабилизация этого процесса имеет первостепенное значение для токамаков, предназначенных для воссоздания термоядерных реакций.
Этот новый подход имеет потенциал стать значимым в развитии международного токамака ИТЭР, который строится во Франции с целью демонстрации практичности термоядерной энергии, и может быть важным шагом в создании термоядерных электростанций.
Чанг Лю заключает:
Наши результаты формируют основу для разработки новых стратегий по борьбе с убегающими электронами. В настоящее время планируются дополнительные эксперименты, в ходе которых все три исследовательских центра будут работать над дальнейшими разработками на основе обнаруженных результатов.