В горящей плазме сохранение высокоэнергетических ионов, образующихся в результате термоядерного синтеза, является ключом к выработке энергии. В этой термоядерной плазме содержится большое количество электромагнитных волн, которые могут выдавливать ионы высокой энергии из плазмы. Это уменьшает нагрев плазмы продуктами реакции синтеза и прекращает горение плазмы. Новые наблюдения Национального термоядерного комплекса DIII-D дают важную информацию об ионах высокой энергии в термоядерной плазме, которые имеют решающее значение для разработки термоядерных электростанций и понимания космической плазмы, а также имеют значение для спутниковых технологий.

Недавние измерения в Национальной термоядерной установке DIII-D обеспечили первые прямые наблюдения пространственного и энергетического движения ионов высокой энергии в токамаке. Исследователи объединили эти измерения с передовыми компьютерными моделями электромагнитных волн и их взаимодействия с энергичными ионами. Эти результаты углубляют наше понимание взаимодействия плазменных волн и ионов высоких энергий в термоядерной плазме.

Физика плазмы и исследования термоядерного синтеза переходят от экспериментальных установок к проектам демонстрационных электростанций. Чтобы сделать этот переход успешным, исследователям необходимо точное моделирование и другие инструменты для прогнозирования производительности конструкций электростанций. Большинство современных установок не способны генерировать плазму горения. Тем не менее, исследователи понимают большую часть соответствующей физики и разрабатывают инструменты моделирования, чтобы воспроизвести наблюдаемое экспериментальное поведение.

Настоящее исследование представляет собой новые измерения токов ионов высоких энергий в токамаке DIII-D. Это ускорит разработку моделей, которые смогут объяснить динамику всех соответствующих взаимодействий волн и ионов. Фазовая космическая инженерия также может применяться после более глубокого понимания. Исследователи могут использовать этот процесс для разработки новой термоядерной плазмы на основе предсказанных идеальных взаимодействий между волнами и ионами. Примечательно, что эти взаимодействия могут также повредить спутники, поэтому это исследование может помочь повысить надежность спутников.

Измеренный (слева) и смоделированный (справа) поток высокоэнергетических ионов в плазме DIII-D. Начиная с энергии инжекции нейтрального пучка, инжектированные ионы движутся в пространстве и энергии за счет взаимодействия с электромагнитными волнами. Источник: X.D.Du, General Atomics.

Исследователи из Национального термоядерного комплекса DIII-D, входящего в состав Министерства энергетики, провели первые измерения с использованием новой диагностической системы — анализатора нейтральных частиц Imaging (INPA) — для наблюдения за потоком высокоэнергетических ионов в токамаке. После многих лет разработки концепции, проектирования и строительства INPA теперь впервые имеет возможность наблюдать такое поведение.

После того, как ионы высокой энергии вводятся в токамак нейтральным лучом, они взаимодействуют с электромагнитными плазменными волнами и перемещаются с энергией и положением в токамаке. Моделирование воспроизвело наблюдаемое поведение, продемонстрировав точность модели первых принципов при описании базовой физики. Улучшение нашего понимания этих взаимодействий волн и частиц имеет важные последствия как для проектирования термоядерных электростанций, так и для понимания поведения плазмы, наблюдаемой в космическом пространстве.

INPA измеряет энергию ионов высокой энергии, инжектируемых нейтральным пучком, которая превышает энергию фоновой плазмы от ядра горячей плазмы до края холодной плазмы. Эти эксперименты в сочетании с передовым высокопроизводительным компьютерным моделированием, моделирующим электромагнитный спектр и взаимодействие с энергичными ионами, обеспечивают наиболее детальное понимание взаимодействия между плазменными волнами и энергичными ионами в термоядерной плазме.

Это более глубокое понимание также позволяет исследователям применять инженерию фазового пространства, которая представляет собой разработку новых схем термоядерной плазмы, основанных на предсказанных идеальных взаимодействиях между волнами и ионами. Подобные взаимодействия происходят в космическом пространстве. Например, электромагнитные ионно-циклотронные (ЭМИЦ) волны заставляют электроны течь через пространство и энергию.

В некоторых случаях электроны ускоряются, что приводит к сбоям в работе спутников. Более глубокое понимание процесса резонансного взаимодействия волны и частицы посредством исследования термоядерной плазмы поможет смоделировать космическую плазму, тем самым повысив надежность будущих спутниковых миссий.

Источник составления: ScitechDaily.