Точный метод определения влияния волн и частиц на реакции синтеза. Как серферы, ловящие океанские волны, частицы в горячем, электрически заряженном состоянии вещества, известном как плазма, могут перемещаться по волнам, которые колеблются в плазме во время экспериментов, чтобы исследовать производство энергии синтеза. Колебания могут сместить частицы настолько далеко, что они покидают токамак в форме пончика, в котором размещаются эксперименты, охлаждая плазму и делая реакции синтеза менее эффективными. Теперь команда физиков во главе с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США разработала более быстрый метод определения того, насколько это взаимодействие между частицами и волнами способствует потере эффективности в токамаке.

Физик PPPL Роско Уайт. Фото: Эль Старкман

Слияние, сила, которая управляет солнцем и звездами, — это слияние легких элементов в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — которое генерирует огромное количество энергии. Ученые всего мира стремятся воспроизвести синтез на Земле для практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электроэнергии.

Метод, помогающий определить влияние на синтез, опубликованный в Physics of Plasmas , зависит от того, как частицы в плазме попадают в колебания. Частицы, попавшие в колебание, могут проследить овальную траекторию, известную как резонансная структура, ширина которой является ключевым фактором. Определение ширины этой структуры имеет решающее значение. «Если вы хотите знать, какое влияние оказывает резонанс на плазменные частицы, вам нужно знать ширину резонанса», — сказал Роско Уайт, физик-теоретик из PPPL и ведущий автор статьи.

Запустив моделирование на мощных компьютерах PPPL, исследователи узнали, как тип вибрации плазмы, известный как собственная мода, может деформировать резонанс и изменить его воздействие на частицы плазмы. «Наши исследования выделяются тем, что мы учли форму собственной моды, чего раньше не было», — сказал Уайт.

То, как собственные моды изменяют резонансные структуры и, следовательно, поведение плазменных частиц, имеет значение для ученых, поскольку этот эффект может снизить эффективность ИТЭР, многонациональной установки, строящейся во Франции, чтобы продемонстрировать возможность использования термоядерной энергии. «Изменение распределения частиц электромагнитными колебаниями является важной проблемой для ИТЭР», — сказал Уайт. «Изучение этих явлений позволяет ученым предсказать, насколько сильным будет воздействие колебаний, а затем разработать способы устранения волн, предотвращения потери частиц и поддержания эффективности синтеза».

Полученные результаты могут быть использованы для создания упрощенной компьютерной модели с упрощенным, но точным кодом, который может имитировать поведение плазмы при меньшем количестве вычислений и, следовательно, за гораздо меньшее время, чем занимают современные модели. «Наилучшее из доступных имитаций разряда в DIII-D, токамак, управляемый General Atomics в Сан-Диего, может занять суперкомпьютер за несколько месяцев», — сказал Николай Гореленков, главный физик-исследователь в PPPL и соавтор статьи. «Это слишком долго. Конечная цель — использовать моделирование взаимодействия частиц с волной в плазме достаточно быстро, чтобы предсказать, где и когда могут возникнуть потери, а затем принять меры, чтобы избежать этих потерь».

Задача становится намного сложнее в отношении ИТЭР. «Консервативный прогноз для ИТЭР заключается в том, что для моделирования потребуется примерно в 1 миллион раз больше вычислений, чем для текущего токамака», — сказал Гореленков. «Это беспрецедентный объем вычислений, поэтому мы должны найти способы, чтобы сделать симуляцию легче завершить».

По материалам phys.org