Фізики з Прінстонського університету за допомогою гідрокінетичного коду XGC1 змоделювали поведінку нейтральних атомів, що виникають при взаємодії гарячої плазми зі стінками токамаку, і проаналізували їх вплив на виникнення турбулентностей і нестійкостей в плазмовому шнуре.Наукова стаття опублікована в журналі коротко про неї розповідається в прес-релізі на сайті лабораторії.
Передбачається, що майбутні термоядерні реактори за принципом токамака будуть працювати в режимі поліпшеного утримання плазми, так званому режимі Н-моди. При ньому теплові втрати плазми різко знижуються, а температура в центрі плазмового шнура наростає при збільшенні потужності додаткового нагріву, що дозволяє сильно збільшити енерговиділення і зробити реактор більш вигідним. У той же час способи переведення з режиму L-моди (режиму слабкого утримання) в режим Н-моди на даний момент недостатньо вивчені.
Одним з факторів, що мають значний вплив на L-Н-перехід, є наявність у вакуумній камері токамака нейтральних атомів. Нейтральні атоми водню виникають поблизу поверхні плазмового шнуру в результаті різних взаємодій частинок у плазмі. Прикладами таких взаємодій можуть служити перезарядка іонів на атомах і дисоціація молекул. Атоми, що володіють найбільш високою енергією (близько 3 електронвольт), і, як наслідок, найбільшими довжинами вільного пробігу, проникають всередину плазмового шнура, де взаємодіють з іонами і охолоджують їх, відбираючи енергію, що призводить до збільшення градієнта іонної температури (під температурою іонів мається на увазі їх енергія) від центру до периферії шнура.
Отримані результати показали, що зменшення енергії іонів, що виникає внаслідок взаємодії іонів з нейтральними атомами, призводить до посилення турбулентних процесів у плазмі. Причому це посилення відбувається не тільки в області безпосередньої взаємодії нейтральних атомів з іонами, але і вздовж всієї траєкторії руху охолоджених іонів. Наявність турбулентностей провокує утворення нестійкостей, через що плазму стає складніше утримувати довгий час. Крім того через нестійкості плазма може «виплеснутися» на стінки вакуумної камери і пошкодити їх. Також було виявлено, що наявність нейтральних атомів біля стінок камери призводить до зниження швидкості дрейфу частинок плазми в радіальному напрямку, тобто до того, що плазмовий шнур повільніше розпливається до стінок реактора. Це важливе спостереження може бути використано в подальших експериментах з магнітного утримання плазми.
У майбутньому фізики планують порівняти отримані результати чисельного моделювання з результатами експериментальних спостережень, а також здійснити більш повне моделювання з урахуванням більшої кількості процесів, наприклад, включити в розгляд рухомі електрони.
Раніше ми розповідали про першу плазму в новому англійському токамаці ST40, що належить приватній компанії, про новий рекорд за часом утримання плазми в магнітному полі в режимі Н-моди, а також про успіхи нового німецького експериментального термоядерного реактора Wendelstein 7-X.