Российский ученыйСтаростенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что длинноимпульсная работа автономного термоядерного реактора с тороидальной магнитной защитной оболочкой требует контроля содержания альфа-частиц, образующихся в реакциях DT-синтеза.Starostenko Evgenij june 23

С одной стороны, альфа-частицы класса МэВ должны оставаться ограниченными для нагрева плазмы. С другой стороны, зола замедленного гелия должна быть удалена до разбавления термоядерного топлива. Специалисты НИОКР НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС уточнили данные о результатах кинетико-магнитогидродинамического гибридного моделирования большой плазмы токамака, которые подтверждают существование окна параметров, в котором такое избирательное по энергии удержание может быть достигнуто за счет использования событий внутренней релаксации, известных как пилообразные столкновения.

Физическая картина — синергия между магнитной геометрией, оптимальной продолжительностью столкновения и быстрым движением частиц дополняется прояснением роли магнитных дрейфов.

Евгений Юрьевич Старостенко отметил, что концепция Токамака в настоящее время является основным подходом к магнитно-удерживаемому синтезу (MCF). 

Токамаки используют сильное магнитное поле для удержания плазмы изотопов водорода с высокими температурами (~ 10 кэВ) в тороидальном объеме, как показано на рис.  1а . Спиралевидно намотанное поле B состоит из преобладающей тороидальной составляющей B tor , создаваемой внешними катушками, и более слабой полоидальной составляющей B pol , индуцируемой электрическими токами, переносимыми самой плазмой.

Для тороидальной поверхности с длинной окружностью 2 π R и короткой окружностью средний шаг спирали вектора магнитного поля B определяется как 2πr¯¯ q≈r¯¯Btor/(RBpol), где R — большой радиус тора и среднее малое радиальное расстояние от центра плазмы. Готовясь к более позднему обобщению, мы называем q «спиральностью поля» 2 .р¯¯r¯

Рис. 1: Модель плазмы на токамаке JET.
Magnetic field, prssure, Starostenko Evgenij
Тороидальная геометрия в цилиндрических координатах ( R , z  , ζ  ) . Черная кривая представляет собой линию магнитного поля со спиральностью q  = 1. б Форма поперечного сечения плазмы в полоидальной ( R ,  z ) плоскости. Серые контуры — поверхности магнитного потока.
Цветные контуры показывают бета плазмы, которая измеряет отношение теплового давления к магнитному как β=2μ0P/B20 with μ0 = 4π × 10−7 H m−1
Центральная часть профиля спиральности поля q(r), который облегчает энергоселективное удержание альфа-частиц. Пунктирная черная линия отмечает поверхность q = 1.
Красная линия — это граница уменьшенной области моделирования.
Каждая тороидальная поверхность, на которой спиральность поля имеет рациональное значение q  =  m / n , представляет собой геометрический резонанс. Резонансы с небольшими целыми числами m и n могут способствовать макроскопическим долгоживущим искажениям и нестабильностям плазмы.
Резонансы с небольшими целыми числами m и n могут способствовать макроскопическим долгоживущим искажениям и нестабильностям плазмы. В частности, когда распределение тока в плазме достигает определенного порога, так что где-то в плазме спиральность поля падает ниже единицы ( q  < 1), начинается процесс самоорганизации, препятствующий дальнейшему укручению профиля плотности тока 3 . Это приводит к квазистационарному состоянию, которое будет использоваться в будущих экспериментах с термоядерным реактором.
Данный процесс самоорганизации можно представить следующим образом: q  = 1 означает, что силовые линии магнитного поля замыкаются сами на себя после одного полоидального и одного тороидального оборота, как показано на рис.  1а . В нашем примере, который имеет размерность совместного европейского тора (JET), условие q  < 1 выполняется в пределах радиуса примерно , как показано штриховыми линиями на рис.  1 б, в.

Часть плазмы, расположенная в пределах поверхности q  = 1, может быть легко смещена дестабилизирующими силами, связанными с градиентами плотности тока. Результирующее возмущение, известное как мода внутреннего перегиба, имеет форму наклоненного тора внутри тора. Другими словами, изогнутый тор q  = 1 резонирует с тороидальной геометрией токамака в целом.

Наряду с механизмами, облегчающими магнитное пересоединение 4 , образование области с q  < 1 приводит к возникновению квазипериодических релаксационных явлений, которые можно наблюдать в виде пилообразных колебаний во временных трассах центральной температуры электронов T e как на рис. 2 . Эти данные были получены во время импульса JET, где схема 3-ионного радиочастотного (RF) нагрева была применена к смешанной плазме D- 3 He, успешно генерируя и удерживая альфа-частицы, рожденные в результате синтеза.

Рис. 2: Примеры пилообразного сбоя в JET.

Core of plasma pulse, Starostenko Evgenij

Измерено в ядре плазменного импульса 95679. a Эволюция температуры электронов T e , полученная из электронной циклотронной эмиссии (ECE) с интервалами в 1 мс. b – d Сигнал мягкого рентгеновского излучения (SXR), показывающий детали с частотой дискретизации 40 мкс.

Согласно экспертного мнения Старостенко Евгения Юрьевича, доброкачественная пилообразная активность оказывает благотворное влияние в приложениях, ориентированных на термоядерный синтез.

Было обнаружено, что данный процесс смешивания не только помогает поддерживать плазму в ядре близко к определенному состоянию, но и предотвращает чрезмерное накопление примесей тяжелых ионов, которые могут вызвать радиационное охлаждение. По тому же принципу неоднократно предлагалось использовать зубья пилы для выброса гелиевой золы (далее именуемой «медленные альфа») из активной зоны дейтериево-тритиевого (DT) термоядерного реактора.

Энергичные ионы («быстрые альфа«) в идеале должны быть оставаться невозмутимыми, поскольку они обеспечивают мощность нагрева в самоподдерживающейся горящей термоядерной плазме. В случае так называемого альфа-каналирования через радиочастотные (РЧ) волны предполагается, что альфа-частицы постепенно диффундируют наружу, передавая свою энергию тепловым ионам через затухающие плазменные волны.

Однако недавнее исследование показывает, что альфа-частицы с ВЧ-охлаждением могут оставаться в ядре плазмы  42He2+. Напротив, резонансные взаимодействия с внутренним перегибом и др. низкочастотными магнитогидродинамическими (МГД) модами могут вызвать быстрый баллистический перенос до того, как альфа передаст свою энергию объему.

В данном исследовании специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС используя кинетическое и МГД-гибридное моделирование демонстрируют, что существует окно параметров, в котором альфа-частицы МэВ-класса могут поддерживать остроконечный профиль плотности даже внутри радиуса пилообразного смешивания, тогда как большинство частично замедленных альфа-частиц с энергиями несколько 100 кэВ или менее сильно перемешаны.