Учет влияния вращения ядра на краевые потоки позволяет ученым более точно прогнозировать поведение выхлопных газов.
Новые исследования, проведенные в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL), показали, что вращение плазменного ядра является основным фактором, определяющим распределение частиц в выхлопной системе термоядерного реактора.
В ходе исследования было установлено, почему частицы плазмы неизменно поражали одни части реактора чаще, чем другие.
Это открытие позволяет сопоставлять результаты компьютерного моделирования с экспериментальными данными, что предоставляет инструмент для проектирования будущих термоядерных электростанций.
В токамаке магнитные поля удерживают плазму в форме пончика. Часть частиц в конечном итоге покидает это магнитное ядро и движется к дивертору, который служит выхлопной системой установки.
«Там частицы плазмы сталкиваются с металлическими пластинами, охлаждаются и отскакивают обратно. (Возвращающиеся атомы помогают подпитывать термоядерную реакцию)», — говорится в пресс-релизе PPPL.
«Однако эксперименты неизменно показывают, что во внутреннюю мишень дивертора попадает гораздо больше частиц, чем во внешнюю».
Трудности моделирования асимметричных тепловых нагрузок
Это неравномерное распределение оставалось необъясненным, поскольку существующие модели не могли воспроизвести степень асимметрии, наблюдаемую в физических экспериментах.
Понимание этого распределения необходимо для проектирования будущих термоядерных систем. Это поможет точно определить, куда попадут частицы выхлопных газов, чтобы гарантировать, что дивертор сможет справиться с тепловыделением без повреждения конструкции.
«Основное объяснение связано с так называемым поперечным дрейфом внутри самого дивертора, то есть с боковым движением частиц поперек линий магнитного поля», — поясняется в пресс-релизе.
«Однако компьютерные симуляции, учитывающие только этот тип дрейфа, не смогли воспроизвести неравномерный характер удара в экспериментах, что затрудняет уверенность в том, что моделирование может надежно служить ориентиром при проектировании дивертора для будущих машин».
Интеграция вращения ядра в прогностическое моделирование.
Для решения этой проблемы группа исследователей под руководством Эрика Эмди из PPPL использовала программный код SOLPS-ITER. Они проанализировали данные с токамака DIII-D, расположенного в Калифорнии.
Исследователи протестировали четыре конкретных сценария, чтобы выявить причину образования паттернов частиц: модели с поперечным дрейфом и без него, а также модели с вращением плазмы и без него.
Результаты моделирования совпали с экспериментальными данными только в том случае, если команда учла измеренную скорость вращения ядра, составляющую 88,4 километра в секунду.
Это тороидальное вращение — движение частиц вокруг токамака — создает параллельный поток вдоль линий магнитного поля.
Эмди отметил, что, хотя ранее основным фактором асимметрии считалось поперечное течение, данное исследование показывает, что параллельное течение, обусловленное вращающимся ядром, имеет не меньшее значение.
«Многие утверждали, что асимметрию создает поперечное течение. Однако эта статья показывает, что параллельное течение, обусловленное вращающимся ядром, имеет не меньшее значение», — подчеркнул он.
Последствия для будущих термоядерных электростанций
Исследование показывает, что взаимодействие между вращением ядра и поперечными дрейфами оказывает большее влияние, чем любой из этих компонентов по отдельности.
Учитывая влияние вращающегося плазменного ядра на потоки на краю магнитного поля, ученые теперь могут с большей точностью прогнозировать поведение истечения.
Эта связь предоставляет данные, необходимые для проектирования диверторов, способных выдерживать тепловые нагрузки, возникающие при реальном производстве термоядерной энергии.
«Полученные результаты свидетельствуют о том, что для точного прогнозирования поведения истечения плазмы в будущих термоядерных системах потребуется учитывать влияние вращающегося плазменного ядра на краевые потоки, что может помочь инженерам проектировать диверторы, которые лучше справятся с реальными условиями», — говорится в заключении пресс-релиза.
Sourse: interestingengineering.com
