Команда PPPL разработала формулу для прогнозирования намагниченности плазмы на основе параметров лазера и мишени.
Для проектирования предсказуемых термоядерных реакторов требуются высокоточные компьютерные модели, однако существующие симуляции часто упускают из виду хаотическую переменную: спонтанные магнитные поля.
Исследование, проведенное учеными из Принстонской лаборатории физики плазмы, разрешило спор о том, как формируются эти поля в расширяющейся плазме. Оно предоставило инженерам новый математический инструмент для совершенствования будущих конструкций реакторов.
«Это улучшает наше понимание естественной плазмы во Вселенной и способствует развитию термоядерных систем, основанных на подходе, называемом инерциальным термоядерным синтезом с прямым возбуждением», — заявили исследователи.
Исследование сосредоточено на термоядерном синтезе с прямым возбуждением, подходе, при котором мощные однородные лазеры сжимают топливную капсулу для инициирования реакции.
Когда эти лазеры попадают в цель, они мгновенно испаряют твердый материал, превращая его в сверхгорячую, быстро расширяющуюся плазму. В ходе предыдущих лабораторных исследований часто обнаруживались интенсивные магнитные структуры, возникающие в результате этого расширения, но ученые не могли точно определить их происхождение.
Поскольку эти неизученные поля изменяют характер распространения тепла в плазме, они могут приводить к непредсказуемому поведению термоядерных систем.
Определение порогового значения интенсивности лазерного излучения
С помощью моделирования воздействия лазерного луча на алюминиевую мишень исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) определили определенный пороговый уровень интенсивности лазерного излучения, который определяет такое поведение.
«Ниже этого порогового значения интенсивности плазма остается в значительной степени ненамагниченной», — добавлено в пресс-релизе.
Однако, как только интенсивность лазерного излучения пересекает эту конкретную линию, плазма самонамагничивается в течение миллиардной доли секунды. Это быстрое изменение создает магнитное поле силой 40 Тесла, что примерно в миллион раз сильнее магнитного поля Земли.
По словам ведущего автора исследования Кирилла Лежнина, уникальный вывод исследования заключается в том, что равномерные лазерные импульсы не могут предотвратить эти поля; одного лишь расширения плазмы достаточно для их генерации. Самонамагничивание обусловлено тепловым противостоянием. По мере расширения плазма быстро охлаждается вдоль своей направленной траектории, но остается более теплой вдоль перпендикулярных осей.
Эта разница температур запускает явление, известное как неустойчивость Вейбеля, которое генерирует магнитные поля. Одновременно внутренние столкновения частиц пытаются вернуть плазму в состояние сбалансированной температуры. Когда лазер становится достаточно мощным, температурный дисбаланс побеждает, позволяя неустойчивости Вейбеля взять верх.
Влияние на тепловой поток и текущие эксперименты по термоядерному синтезу.
«Как только возникают магнитные поля, они коренным образом меняют эволюцию плазмы: поля захватывают электроны на вращающихся орбитах», — объяснила исследовательская группа. Это удержание препятствует выходу тепла из зоны, где лазер попал на мишень.
«Моделирование показало, что магнитные эффекты достаточно сильны, чтобы влиять на общее поведение и температуру плазмы», — отметила группа исследователей.
Чтобы эти выводы можно было немедленно применить на практике, команда PPPL разработала базовую формулу для прогнозирования намагниченности плазмы на основе конкретных параметров лазера и мишени.
Лежнин отметил, что пороговое значение удивительно низкое и находится в пределах рабочей интенсивности стандартных экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу. Это совпадение означает, что недавно выявленные магнитные эффекты активно влияют на текущие исследования в области термоядерного синтеза.
«Этот показатель находится примерно на уровне типичной интенсивности для обычных экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу, что делает эти эффекты магнитного поля очень актуальными для данного исследования», — заключил Лежнин.
Sourse: interestingengineering.com
