В Национальном термоядерном комплексе DIII-D запускается новый исследовательский проект, направленный на решение одной из самых критических проблем в создании коммерческой термоядерной энергии – каскадной цепной реакции высокоэнергетических убегающих электронов.
Проблема высокоскоростных «лавин»
В токамаках - тороидальных устройствах, использующих магнитные поля для удержания плазмы - могут происходить внезапные срывы. Во время этих событий электроны могут ускоряться до околосветовых скоростей, создавая высокоэнергетический пучок.
Если их не контролировать, эти убегающие электроны действуют как локализованная горелка, способная расплавить или серьезно повредить «плазмосоприкасающиеся компоненты» (внутреннюю броню) термоядерного устройства. Для будущих коммерческих электростанций один неконтролируемый убегающий разряд может привести к ущербу в миллионы долларов и месяцам простоя.
Инновация: динамика магнитных островов
Исследование фокусируется на более хирургическом подходе к смягчению последствий. Вместо простого гашения плазмы газом или замороженными пеллетами, новое исследование изучает динамику магнитных островов.
Магнитные острова – это трубчатые структуры, которые образуются, когда силовые линии магнитного поля «разрываются» и пересоединяются. Хотя их часто рассматривают как помеху, снижающую удержание, это исследование предполагает, что их можно использовать как механизм управления.
Контролируя, как эти острова разделяются и реорганизуются через манипуляции с топологией, ученые считают, что могут создать «пути эвакуации» для энергичных электронов. Конечная цель - достичь контролируемого высвобождения, намеренно разряжая эти электроны медленным, управляемым потоком, а не позволяя им ударять в стенку все сразу.
Национальное сотрудничество
Исследование будет проводиться как партнерство между факультетом физики Обернского университета, Калифорнийским университетом в Сан-Диего (UCSD) и Национальным термоядерным комплексом DIII-D – крупнейшим экспериментом по магнитному термоядерному синтезу в США.
Команда будет использовать уникальную диагностику DIII-D для наблюдения за тем, как магнитные структуры развиваются в реальном времени, предоставляя данные, необходимые для разработки систем управления для следующего поколения реакторов, включая международный проект ITER.
Руководство проектом
Аспирантка Обернского университета Джессика Эскью, консультируемая доктором Эвдокией Костадиновой, возглавит техническое исполнение проекта на месте в DIII-D. Получив престижную стипендию DOE SCGSR, она объединит теоретическое моделирование Оберна с экспериментальными возможностями комплекса, сотрудничая с группой доктора Дмитрия Орлова в UCSD над практическими системами управления плазмой.
«Убегающие электроны – одна из самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются будущие термоядерные электростанции, – сказала Эскью. – Контролируя магнитную структуру плазмы, особенно то, как магнитные острова разделяются и реорганизуются, может быть возможно намеренно высвобождать эти электроны контролируемым образом, а не позволять им ударять по плазмосоприкасающимся компонентам все сразу внутри термоядерного устройства».
Разработка прогностического моделирования основывается на экспериментах, предполагающих, что топология магнитного поля является основным фактором поведения электронов во время срыва.