Серфінг на плазмі

Ядерний синтез є злиттям легких елементів у вигляді плазми, що складається з вільних електронів і атомних ядер та генерує великі кількості енергії. Вчені з усього світу прагнуть повторити його на Землі, щоб отримати практично невичерпне джерело енергії.

Як серфери, що підкорюють океанські хвилі, частинки всередині гарячого, електрично зарядженого стану речовини, відомого як плазма, можуть “їздити” на хвилях, які проходять через плазму під час експериментів по дослідженню виробництва термоядерної енергії.

Ці хвильові коливання можуть витісняти частинки настільки далеко, що вони вилітатимуть з токамака у формі пончика, в якому проводяться експерименти, охолоджуючи плазму і знижуючи ефективність реакцій синтезу. Тепер команда фізиків на чолі з Принстонською лабораторією фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США ​​розробила більш швидкий метод визначення того, наскільки ця взаємодія між частинками та хвилями сприяє втраті ефективності в токамаках. Якби можна було утримати ці частинки на місці, вони б не розтрачували енергію, зберігаючи її для реакції синтезу.

Слідкувати за частинками можливо

Нове дослідження DOE описує складне комп’ютерне моделювання, яке може відстежувати та прогнозувати ці хвилі, надаючи фізикам нові можливості для запобігання та утримання цих частинок саме там, де вони мають бути.

Метод визначення впливу на синтез залежить від того, як частинки у плазмі потрапляють у коливання. Ці частинки мають овальну траєкторію, яку можна прослідкувати і яка має назву резонансної структури, чия ширина має ключове значення.

Проводячи моделювання на потужних комп’ютерах PPPL, дослідники дізналися, як тип вібрації плазми, відомий як власний (тип коливань), може деформувати резонанс і змінювати його вплив на частинки плазми. Раніше дослідники не враховували форму власного типу коливань, тому й в моделювання його не включали.

Дане дослідження було підтримано Управлінням науки DOE в рамках програми DOE Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC), метою якої є сприяння розвитку високошвидкісних обчислювальних технологій для просування основних наукових досліджень. До складу групи увійшли вчені з PPPL і Університету Остіна, Техас.

Дослідники сподіваються, що їх робота допоможе побудувати ITER, міжнародний експериментальний реактор синтезу, який, як очікується, запустять у 2025 році – хоча для цього доведеться значно розширити моделювання. Для нього знадобиться в мільйон разів більше обчислень, ніж для сьогоднішніх токамаків, тож вчені зацікавлені у спрощенні моделювання. 

Дізнатись більше :

PPPL