Исследователи разработали метод охлаждения водородной плазмы в термоядерных реакторах

Возможно, люди никогда не смогут приручить Солнце, но водородную плазму, составляющую большую часть солнечных недр, можно удерживать в магнитном поле в рамках термоядерного синтеза. Правда, с одной оговоркой.

Чрезвычайно высокая температура плазмы, обычно достигающая 100 млн. градусов Цельсия, заключенная в токамаках — термоядерных реакторах, имеющих форму пончика, — приводит к повреждению защитных стенок этих мегаустройств. Исследователи впрыскивают водород и инертные газы вблизи стенок устройства, чтобы охладить плазму путем излучения и рекомбинации, которая является обратной ионизации. Уменьшение тепловой нагрузки имеет решающее значение для продления срока службы будущего термоядерного устройства.

Понимание и предсказание процесса колебательных и вращательных температур молекул водорода вблизи стенок могло бы улучшить рекомбинацию, однако эффективные стратегии до сих пор оставались труднодостижимыми.

Международная группа исследователей под руководством Университета Киото недавно нашла способ объяснить вращательные температуры, измеренные в трех различных экспериментальных термоядерных устройствах в Японии и США. Их модель оценивает поверхностные взаимодействия и электронно-протонные столкновения молекул водорода.

В нашей модели мы ориентировались на оценку вращательных температур на низких энергетических уровнях, что позволило нам объяснить результаты измерений на нескольких экспериментальных устройствах, — добавляет автор модели Нао Йонеда из Высшей инженерной школы Киотского университета.

Прогнозирование и контроль температуры вращения вблизи поверхности стенки позволили команде отвести тепловой поток плазмы и оптимизировать условия работы устройств.

Нам еще предстоит понять механизмы вращательно-колебательных возбуждений водорода, — заключает Йонеда, — но мы были рады, что универсальность нашей модели позволила нам воспроизвести и измеренные вращательные температуры, о которых сообщалось в литературе.

Результаты опубликованы в издании Nuclear Fusion.

27.07.2023