Команда, в которую вошли ученые из General Atomics и Института физики плазмы Макса Планка, выполнила расчеты на компьютере Эдисона в Национальном вычислительном центре энергетических исследований, подразделении Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Используя разработанную ими программу M3D-C1, которая создает трехмерное моделирование термоядерной плазмы, они обнаружили, что при определенных условиях вокруг центра токамака образуется спиралевидный водоворот плазмы. Закрученная плазма действует как динамо-машина — движущаяся жидкость, которая создает электрические и магнитные поля.
Вместе эти поля предотвращают скачок и падение тока, протекающего через плазму.Исследователи обнаружили два особых условия, при которых плазма ведет себя как динамо-машина.
Во-первых, магнитные линии, которые окружают плазму, должны повернуться ровно один раз, как на длинный, так и на короткий путь, вокруг конфигурации в форме пончика, поэтому электрон или ион, следующие за линией магнитного поля, окажутся именно там, где они начинались. Во-вторых, давление в центре плазмы должно быть значительно больше, чем на краю, создавая градиент между двумя секциями.
Этот градиент в сочетании с вращающимися линиями магнитного поля создает вращающиеся рулоны плазмы, которые вращаются вокруг токамака и создают динамо-машину, которая поддерживает равновесие и обеспечивает стабильность.Такое поведение динамо возникает только при определенных условиях.
И электрический ток, протекающий через плазму, и давление, которое электроны и ионы плазмы оказывают на своих соседей, должны находиться в определенном диапазоне, который «не слишком велик и не слишком мал», — сказал Жардин. Кроме того, скорость, с которой устанавливаются условия для реакции синтеза, должна быть «не слишком быстрой и не слишком медленной».Жардин подчеркнул, что как только задан ряд условий, таких как давление и сила тока, явление динамо возникает само по себе. «Нам не нужно ничего делать извне», — отметил он. «Это похоже на то, как если вы осушаете ванну, и водоворот образуется над водостоком.
Но поскольку плазма сложнее воды, водоворот, который образуется в токамаке, также должен генерировать напряжение, чтобы поддерживать себя».Во время моделирования ученые смогли виртуально добавить новые диагностические средства или датчики в компьютерный код. «Эта диагностика позволила измерить поля спиральных скоростей, электрический потенциал и магнитные поля, чтобы выяснить, как динамо-машина образуется и сохраняется», — сказал Жардин.
Последовательность создает «напряжение в центре разряда, которое не дает току плазмы достигать пика».Физики косвенно наблюдали то, что, по их мнению, является поведением динамо-машины на Национальном термоядерном комплексе DIII-D, которым General Atomics управляет для Министерства энергетики в Сан-Диего и на установке ASDEX Upgrade в Гархинге, Германия. Они надеются научиться создавать эти условия по мере необходимости, особенно в ИТЭР, огромной многонациональной термоядерной машине, строящейся во Франции, чтобы продемонстрировать практичность термоядерной энергии. «Теперь, когда мы это лучше понимаем, мы думаем, что компьютерное моделирование покажет нам, при каких условиях это произойдет в ИТЭР», — сказал Жардин. «Это будет в центре нашего исследования в ближайшем будущем».
Изучение того, как создавать эти условия, имеет важные последствия для ИТЭР, который будет производить ядра гелия, которые могут усилить пилообразные нарушения. Если они будут достаточно большими, эти сбои могут вызвать другие нестабильности, которые могут остановить процесс синтеза.
Поэтому предотвращение запуска цикла было бы очень полезно для эксперимента ИТЭР.