Ученые разработали новый метод анализа характеристик плазмы

Сотрудники Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН и МГУ имени М. В. Ломоносова предложили новый способ, позволяющий анализировать турбулентные пульсации плотности плазмы. Результаты исследования помогут в поиске взаимосвязей этих процессов в центральных областях высокотемпературной плазмы и на стенках установок с магнитным удержанием (токамаков и стеллараторов). Последние применяются при изучении термоядерного синтеза, в перспективе способного стать более безопасной и эффективной альтернативой традиционных реакций ядерного распада. Статья ученых опубликована в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Термоядерный синтез — это процесс соединения простых атомных ядер в более сложные. По своим свойствам он противоположен ядерному распаду, однако при его осуществлении выделяется несравнимо больше энергии. Термоядерный синтез в земных условиях возможен только при высоких температурах (~100 млн градусов Цельсия) в плазме внутри тороидальных магнитных ловушек — токамаков и стеллараторов. В таких ловушках теплопроводность плазмы, а следовательно, и потери тепла при нагреве ограничены поперек магнитного поля. Однако плазма в магнитном поле способна самовозбуждать мощные турбулентные пульсации плотности и температуры. Они повышают теплопроводность поперек магнитного поля, в результате чего плазма теряет тепло, необходимое для протекания термоядерной реакции. Так, процесс будет неэффективен, даже если мощность источников нагрева позволяет создать подходящие условия.

Одно из направлений термоядерных исследований сосредоточено на решении вопроса о том, в какой мере процессы на границе плазмы со стенками ловушек могут влиять на характеристики турбулентных движений в объеме плазмы, в том числе в центральных, наиболее горячих, областях. Исследованию этой проблемы и посвятили свою работу российские ученые. Они предложили новый способ анализа турбулентных характеристик плазмы, которые изменяются во времени.

Ученые установили, что при включении импульса дополнительного нагрева плазмы возникало распыление материала стенки стелларатора. При этом резко возрастала и скорость изменения турбулентных пульсаций плотности по всему объему плазмы, включая ее центральную часть с высокой температурой электронов. Таким образом, было обнаружено влияние потока распыленного материала стенки на турбулентные пульсации по всему объему плазмы.

«Мы впервые использовали анализ скорости изменения уровня турбулентных пульсаций плотности во времени. Такой подход оказался чувствительным к изменениям колебаний, которые происходили как до, так и при распылении материала покрытия стенки реактора в результате импульсного нагрева», — говорит один из авторов работы, главный научный сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор Герман Батанов.

«Наша работа имеет ярко выраженный междисциплинарный характер, поскольку значимые физические результаты были достигнуты с применением смешанных вероятностных моделей и современных методов анализа данных. Это в полной мере соответствует целям и задачам Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», — отметил член Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте РФ по науке и образованию, ведущий научный сотрудник Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН и МГУ имени М. В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук, доцент Андрей Горшенин.

Прогресс, достигнутый в исследованиях турбулентности плазмы на стеллараторе Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, ориентирует дальнейшие разработки. Целью станет поиск временной эволюции скорости изменения уровня турбулентных пульсаций. Кроме того, необходимо изучать эффекты, возникающие в результате реакции материала покрытия стенок на воздействие потоков плазмы. Решить эти задачи предлагается в программе Президиума РАН.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.