Kodolsintēzes enerģijas iegūšanā viens no lielākajiem šķēršļiem var izrādīties arī daļa no risinājuma. Pētnieki ASV eksperimentālajā DIII-D tokamakā San Diego guvuši pirmās eksperimentālās liecības, ka plazmas nestabilitāte, kuru līdz šim pārsvarā uzskatīja par kaitīgu, noteiktos apstākļos var palīdzēt ierobežot turbulenci un saglabāt plazmā vairāk siltuma.
Kodolsintēzes reaktoru mērķis ir atdarināt procesu, kas darbina Sauli: vieglo atomu kodoli saplūst, atbrīvojot ļoti lielu enerģijas daudzumu. Tokamakos – virtuļa formas kamerās – plazmu notur spēcīgi magnētiskie lauki. Lai deitērija un citu smagā ūdeņraža izotopu kodoli varētu saplūst, plazma jāuzkarsē līdz aptuveni 150 miljoniem grādu pēc Celsija. Tā ir apmēram desmit reižu augstāka temperatūra nekā Saules kodolā.
Šādos ekstremālos apstākļos īpaši sarežģīti ir nepieļaut, ka plazma kļūst turbulenta. Turbulence veicina siltuma pārnesi no plazmas centra uz ārējām zonām, tādējādi samazinot temperatūru un pasliktinot apstākļus kodolsintēzei. Taču jaunais pētījums rāda, ka saikne starp nestabilitāti un turbulenci nav viennozīmīga.
Viļņi, kas var savaldīt turbulenci
Pētījuma uzmanības centrā bija Alfvēna eigenmodi jeb Alfvēna viļņi – plazmā veidojošies viļņi, kas saistīti ar magnētiskajiem laukiem. Tos parasti uzskata par nevēlamiem, jo tie var pasliktināt enerģētiski aktīvo daļiņu noturēšanu reaktorā. Tomēr DIII-D mērījumi kopā ar teorētiskiem aprēķiniem un datorsimulācijām liecina, ka šiem viļņiem var būt arī pretējs efekts.
Pētnieku skaidrojumā Alfvēna viļņu virzītās elektriskās strāvas un plazmas plūsmas rada tā dēvēto bīdes plūsmu. Tā ir plūsma, kuras ātrums dažādās plazmas zonās atšķiras, un šāda kustība var izjaukt turbulentos virpuļus, pirms tie kļūst pietiekami spēcīgi, lai aiznestu prom siltumu.
Ja turbulence tiek nomākta, pieaug elektronu un jonu temperatūra. Tas savukārt samazina termisko pārnesi uz reaktora ārmalām. Fizikā mazāka termiskā pārnese šajā gadījumā ir priekšrocība: vairāk siltuma paliek ieslēgts plazmas kodolā, kur tas var uzturēt kodolsintēzei labvēlīgus apstākļus.
Magnētiskā lauka izmaiņas izmērītas reaktorā
Lai ieskatītos reaktora iekšienē notiekošajā, komanda izmantoja diagnostikas metodi, ko sauc par kustīgā Starka efekta mērījumu. Tokamakā plazmā ievada neitrālu deitērija atomu kūli un pēc tam analizē, kā mainīgais magnētiskais lauks ietekmē izstarotās gaismas polarizāciju. Tas ļauj noteikt magnētiskā lauka struktūras pārmaiņas plazmas iekšpusē.
Mērījumi uzrādīja aptuveni 5% izmaiņu tā dēvētajā drošības faktorā 20 milisekunžu laikā. Šis rādītājs raksturo, kā magnētiskā lauka līnijas spirālveidā vijās ap toroidālo plazmas kameru un palīdz to noturēt. Novērotās pārmaiņas pētnieki interpretē kā pazīmi zonālām elektriskajām strāvām, ko rada Alfvēna viļņi. Rezultāts atbilst iepriekšējām teorētiskajām prognozēm.
Atklājums nenozīmē, ka kodolsintēzes reaktori tūlīt spēs izmantot plazmas nestabilitāti kā viegli vadāmu instrumentu. Tomēr tas būtiski maina priekšstatu par vienu no sarežģītākajām problēmām kodolsintēzes fizikā: daļa procesu, kas sākotnēji šķiet postoši plazmas noturēšanai, pēc noteikta enerģijas sliekšņa sasniegšanas var iedarbināt pašregulējošu mehānismu.
Ja nākotnē šo efektu izdosies droši kontrolēt un izmantot, tas varētu palīdzēt tokamakiem ilgāk saglabāt karstu, stabilu plazmu un tuvināt praktiski izmantojamas kodolsintēzes enerģijas iegūšanu. Pētījums publicēts žurnālā Physical Review Letters.
Zinātne
Zinātne
Zinātne
Zinātne