Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойФизикаСкрытые ритмы плазмы: балет ионов и волн в термоядерных реакторах

Скрытые ритмы плазмы: балет ионов и волн в термоядерных реакторах

- Advertisement -

Схема быстрых ионов (черные спирали), взаимодействующих с плазменными волнами (цвет) в термоядерном эксперименте. Авторы: Стив Аллен (Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса), адаптированный Майк Ван Зеланд (Дженерал Атомикс)

Быстрые ионы и плазма волны в термоядерных реакторах участвуют в сложном танце передачи энергии, при этом значительную роль играют резонансы и столкновения. Это понимание жизненно важно для поддержания оптимальных температур плазмы и развития термоядерных технологий.

Подобно волнам в океане, волны могут возникать и в электрически заряженном газе, называемом плазмой, состоящем из электронов и ионов. В океане люди занимаются серфингом, катаясь на досках почти с той же скоростью, что и волны. Это условие согласования, называемое резонансом, позволяет волне эффективно подталкивать серфера путем обмена энергией.

В плазме серферами могут быть очень быстрые ионы, которые могут возникать в термоядерных устройствах в результате термоядерных реакций или других процессов, используемых для нагрева плазмы. Эти быстрые ионы часто действуют противоположно тому, что делают серферы в океане — они дают энергию волнам, заставляя их увеличиваться в размерах. Пока резонансные частицы обмениваются энергией с волнами, они также сталкиваются с другими частицами плазмы посредством случайных столкновений.

Тип этих столкновений и частота их возникновения определяют, насколько большими станут волны и насколько сильно будут плескаться частицы. Если волны станут слишком большими или слишком многочисленными, они могут выбить частицы из устройства, создавая потенциальную опасность для стен, а также уменьшая количество вырабатываемой термоядерной энергии.

Проблемы термоядерного реактора

Плазма в термоядерных реакторах должна постоянно нагреваться, чтобы поддерживать температуру, необходимую для производства энергии. Однако быстрые ионы, нагревающие плазму, также могут резонировать с волнами в плазме. Это может привести к росту этих волн и потенциально выбить быстрые ионы из устройства.

Исследователям необходимо понять резонансные взаимодействия между быстрыми ионами и плазменными волнами, чтобы предсказать и смягчить любые неблагоприятные последствия. Это исследование объединило математические расчеты с компьютерным моделированием, чтобы выявить, как различные типы столкновений конкурируют за определение способа передачи энергии между резонансными частицами и плазменными волнами.

Исследователи используют это новое понимание для формулирования моделей того, как поддерживать плазму достаточно горячей для поддержания реакций термоядерного синтеза. Проблема резонансной волны-частицы плазмы также актуальна для некоторых гравитационных взаимодействий в галактиках. Это означает, что методы этого проекта могут применяться к астрофизическим исследованиям, включая работу над темной материей.

Понимание столкновений быстрых ионов

В экспериментах по термоядерному синтезу быстрые ионы поддерживают плазму достаточно горячей для плавления, отдавая свою энергию фоновой плазме посредством столкновений с электронами. Происходят два различных типа столкновений: диффузионное рассеяние и конвективное сопротивление. Диффузионные столкновения относятся к тому же типу, что приводит к разлету бильярдных шаров на бильярдном столе. Между тем, столкновения с сопротивлением ответственны за силу, которую вы ощущаете в руке, высунув ее из окна движущегося автомобиля.

В зависимости от скорости быстрых ионов и температуры плазмы каждый тип столкновений конкурирует за большее влияние на поведение быстрых ионов. В частности, более высокая скорость быстрых ионов делает сопротивление более важным, тогда как более высокая температура плазмы способствует диффузии.

В то же время, когда быстрые ионы нагревают фоновую плазму посредством столкновений, они также могут резонансно взаимодействовать с плазменными волнами, которые поглощают их энергию, потенциально охлаждая плазму. Без каких-либо столкновений резонанс между быстрыми ионами и волнами возникает только тогда, когда скорость частицы точно соответствует скорости волны.

Ученым давно известно, что диффузионные столкновения «размывают» резонанс, позволяя частицам эффективно обмениваться энергией с волной, даже если их скорость немного выше или медленнее, чем движется волна. Новое открытие этого исследования заключается в том, что при наличии сопротивления этот тип столкновения смещает скорость, с которой возникает резонанс, а это означает, что обмен энергией фактически происходит наиболее эффективно, когда существует небольшая разница между скоростью быстрого иона и плазмы. волны.

Роль резонансной функции

В этом исследовании исследователи охарактеризовали силу взаимодействия волны и частицы с помощью математического объекта, называемого резонансной функцией, которая зависит от разницы между скоростями волны и частицы.

Когда столкновения сопротивления происходят гораздо чаще, чем диффузионные, происходит нечто еще более странное — появляются совершенно новые скорости, на которых становится возможной эффективная передача энергии. Это явление эффективно создает новые резонансы, которых вообще не существовало без сопротивления, представленные новыми пиками, появляющимися в резонансной функции и расширяющими диапазон резонансного взаимодействия.

Резонансная функция, выведенная полностью теоретически, определяет, насколько большими станут волны, питающиеся свободной энергией резонансных быстрых ионов, а также то, как эти частицы будут отбрасываться волной. Нелинейное компьютерное моделирование обнаружило превосходное согласие с теоретическими предсказаниями, подтвердив справедливость полученной резонансной функции для любой комбинации двух типов столкновений и продвинув наше фундаментальное понимание того, как столкновения влияют на резонансные взаимодействия волн и частиц в плазме.

После проверки базовой теории ее теперь можно с уверенностью применять для улучшения кодов, используемых для моделирования поведения быстрых ионов в термоядерных устройствах, что является важным шагом на пути к разработке коммерческих термоядерных электростанций.

Ссылка: «Смещение и расщепление резонансных линий вследствие динамического трения в плазме» В.Н. Дуарте, Дж.Б. Лесца, Н.Н. Гореленкова и Р.Б. Уайта, 9 марта 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.105101.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики и Управлением термоядерных энергетических наук.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме