Результаты, опубликованные в июне в Physical Review Letters, могут привести к улучшению контроля температуры в будущих термоядерных устройствах, включая ИТЭР, международную термоядерную установку, строящуюся во Франции, чтобы продемонстрировать осуществимость термоядерной энергии. Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (Office of Fusion Energy Sciences).
Исследователи сосредоточили внимание на загадочной тенденции электронного тепла к утечке из ядра плазмы к краю плазмы. «Одна из самых больших оставшихся загадок в физике плазмы — это то, как тепло электронов переносится из плазмы», — сказал Джон Менард, программный директор главного термоядерного эксперимента PPPL, Национального эксперимента по модернизации сферического токамака (NSTX-U), который завершает Обновление за 94 миллиона долларов.
Белова нашла возможный ответ, выполняя трехмерное моделирование прошлой плазмы NSTX на компьютерах в Национальном научном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в Окленде, штат Калифорния. Она увидела, что два вида волн, присутствующих в термоядерной плазме, по-видимому, образуют цепочку, которая передает энергию нейтрального пучка от ядра плазмы к краю, где рассеивается тепло. Хотя физикам давно известно, что связь между двумя типами волн — известными как продольные альфвеновские волны и кинетические альвеновские волны (KAW) — может приводить к диссипации энергии в плазме, результаты Беловой были первыми, продемонстрировавшими процесс формирования пучков. возбужденные компрессионные собственные альвеновские моды (CAE) в токамаках.
Ее моделирование показало, что, когда исследователи пытаются нагреть плазму, вводя пучки энергичного дейтерия, формы водорода, пучки возбуждают CAE-волны в ядре плазмы. Затем эти волны резонируют с волнами KAW, которые возникают в основном на краю плазмы.
В результате энергия переносится от места инъекции глубоко внутри плазмы к краю плазмы.
«Первоначально, когда ученые обнаружили, что температура электронов не будет расти с увеличением мощности пучка, все предположили, что электроны нагреваются в центре плазмы, а затем каким-то образом теряют это тепло», — сказала Белова. "Наше объяснение иное. Мы предлагаем, чтобы часть энергии пучка шла в CAE, а затем в KAW. Затем энергия рассеивается на краю плазмы."
Моделирование открыло широкую перспективу. «В симуляциях вы можете смотреть везде в плазме», — сказала Белова. «С другой стороны, в экспериментах вы очень ограничены в том, что и где вы можете измерять внутри горячей плазмы."
Выводы Беловой отражают растущее сотрудничество между теоретическими и экспериментальными исследованиями в лаборатории.
По словам Амиты Бхаттарчарджи, главы теоретического отдела PPPL, ее результаты могут улучшить понимание переноса энергии электронов в экспериментах на NSTX-U.
Белова планирует провести больше симуляций, чтобы определить, является ли обнаруженный ею механизм основным процессом, изменяющим профиль нагрева электронов.
Она также будет искать способы, с помощью которых физики могут избежать этого вызванного волной изменения профиля. А пока ею движет желание узнать больше о физике. «Мы хотим понять, как эти волны возбуждаются ионами пучка, — сказала она, — и как избежать их в экспериментах."