Вращение плазмы оказалось ключевым фактором асимметрии потоков в токамаках
Учёные долгое время наблюдали неравномерное распределение плазмы в токамаках. Частицы плазмы, выходящие из ядра и попадающие в выхлопную систему (дивертор), преимущественно ударяются о внутреннюю пластину дивертора, а не о внешнюю. Понимание причин этого явления необходимо для проектирования диверторов, способных выдерживать высокие тепловые нагрузки.
Предыдущие объяснения фокусировались на поперечных дрейфах частиц в самом диверторе — движении частиц поперёк линий магнитного поля. Однако компьютерные симуляции, учитывавшие только этот фактор, не могли воспроизвести наблюдаемую асимметрию, что ставило под сомнение их пригодность для проектирования будущих установок.
Новые симуляции показали, что тороидальное вращение плазмы (движение частиц вокруг токамака) играет важную роль в распределении частиц в выхлопной системе. Результаты моделирования в различных условиях показали, что только комбинация вращения плазменного ядра и поперечных дрейфов позволяет симуляциям соответствовать экспериментальным данным.
«В плазме есть два компонента потока. Поперечный поток, где частицы дрейфуют вбок по линиям магнитного поля, и параллельный поток, где они движутся вдоль этих линий. Многие считали, что именно поперечный поток создает асимметрию. Наша работа показывает, что параллельный поток, вызванный вращающимся ядром, не менее важен», — объясняет Эрик Эмди, научный сотрудник Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США и ведущий автор исследования.
Команда смоделировала плазму в токамаке DIII-D в Калифорнии, протестировав четыре сценария: с поперечными дрейфами и без них, а также с вращением плазмы и без него. Симуляции смогли приблизиться к экспериментальным результатам только после добавления измеренного вращения ядра плазмы со скоростью 88,4 км/с.
Объединённый эффект оказался значительно больше, чем каждый компонент в отдельности. Полученные данные свидетельствуют о том, что для точного прогнозирования поведения выхлопа в будущих термоядерных системах необходимо учитывать влияние вращающегося плазменного ядра на краевые потоки. Это позволит инженерам разрабатывать диверторы, лучше приспособленные к реальным условиям эксплуатации.