По всему миру ведутся исследования, направленные на эффективное удержание термоядерной плазмы и использование её огромной энергии для производства электроэнергии. Однако известно, что турбулентность, возникающая в плазме на различных масштабах, приводит к высвобождению энергии плазмы и составляющих её частиц, ухудшая характеристики удержания.
Понимание этого физического явления и подавление деградации характеристик имеет решающее значение
Особенно в экспериментах с высокотемпературной плазмой, проводимых в настоящее время по всему миру, турбулентные вихри микромасштаба (всего несколько сантиметров), образующиеся в разных местах плазмы, существенно влияют на ухудшение характеристик удержания.
Хотя было известно, что подавление этой микромасштабной турбулентности может в определённой степени улучшить характеристики, причина, по которой дальнейшее улучшение не может быть достигнуто, оставалась неясной. Кроме того, теоретические исследования методом компьютерного моделирования предсказывают, что в будущих термоядерных энергетических реакторах турбулентность меньшего масштаба, чем микромасштабная, будет взаимодействовать и оказывать влияние.
Для изучения характеристик двух разных масштабов турбулентности исследовательская группа под руководством профессора Токихико Токудзава и профессора проекта Кацуми Ида из Национального института термоядерных исследований, аспиранта Тацухиро Насу из Высшего университета перспективных исследований и профессора Сигэру Инагаки из Киотского университета подготовила точные измерительные приборы, адаптированные к размеру каждого турбулентного вихря.
Работа опубликована в журнале Communications Physics.
Группа исследователей одновременно наблюдала за одним и тем же местом в плазме Большого спирального устройства (LHD), чтобы изучить, как изменяется сила турбулентности каждого масштаба.
Для вихрей меньшего масштаба, в частности, они позволили провести одновременные наблюдения с двух направлений, чтобы зафиксировать изменения в деформирующихся вариациях вихрей. Измерив степень их деформации, они смогли определить состояние электрического поля, которое было ключевым фактором, определяющим фоновый поток сил в этом месте.
В результате группа обнаружила, что когда сила турбулентности большего масштаба внезапно уменьшилась, сила турбулентности меньшего масштаба, наоборот, увеличилась.
Кроме того, они обнаружили, что эти турбулентные вихри меньшего масштаба демонстрируют уменьшенную деформацию. Этот экспериментальный результат можно объяснить теоретической моделью, предполагающей, что турбулентные вихри меньшего масштаба могут растягиваться электрическим полем, создаваемым вихрями большего масштаба.
Предполагается, что рост турбулентности меньшего масштаба может быть фактором, из-за которого улучшение удержания останавливается на «определённом этапе», несмотря на снижение ранее загадочной турбулентности микромасштаба.
Будущая горящая плазма, предназначенная для реализации в Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER), будет полагаться в основном на механизмы нагрева плазмы, управляемые альфа-частицами, генерируемыми в результате термоядерных реакций.
Турбулентные вихри меньшего масштаба, измеренные в этом исследовании, предположительно возбуждаются сильнее, чем те, что наблюдаются в настоящее время, оказывая большее влияние на перенос плазмы и удержание. Следовательно, экспериментальная проверка этих турбулентных вихрей меньшего масштаба в настоящее время активно проводится по всему миру.
Признавая эту проблему на раннем этапе, исследовательская группа стала пионером в разработке методов измерения. Им удалось выяснить турбулентный отклик и установить метод проверки степени удлинения вихрей, что привело к этому открытию, впервые в мире.
Недавние теоретические и имитационные исследования с использованием крупномасштабных суперкомпьютеров предположили возможность недавно обнаруженных межмасштабных взаимодействий между микромасштабной и более мелкой турбулентностью. Это открытие представляет собой первое экспериментальное наблюдение этого явления и, как ожидается, ускорит уточнение теоретических моделей.
Кроме того, ожидается, что это будет способствовать повышению производительности будущих термоядерных реакторов на основе этих моделей. С академической точки зрения взаимодействие между турбулентностью в разных масштабах и резкими структурными изменениями в турбулентных вихрях было предметом изучения не только в лабораторных термоядерных плазмах, но и в космической плазме.
Подробные экспериментальные наблюдения, полученные в высокотемпературной плазме LHD, как ожидается, будут способствовать пониманию физики плазмы и в других областях.
Предоставлено Национальными институтами естественных наук.