Когато плазмата се подчинява на кода: програмата GENE прогнозира всеки плазмен изблик
Защо разбирането на хаоса в плазмата е от решаващо значение за бъдещите реактори.
Международен екип от учени реализира значим пробив в проучването на турбулентността в плазмата на реакторите за термоядрен синтез. За първи път изчисленията от една от водещите стратегии за моделиране на турбулентността бяха доказани с невиждана акуратност. Откритието, оповестено в Nature Communications, слага значима основа за прогнозиране работата на бъдещите термоядрени електроцентрали.
Термоядрената сила се гради върху сливането на леки атомни ядра при рискови температури. Най-съвременният метод е магнитното задържане, при което нагрятата до милиони градуси плазма се задържа в тороидална камера посредством мощни магнитни полета, без да влиза в контакт със стените. Енергията, освободена по време на реакцията, би трябвало освен да създава електричество, само че и да поддържа нужната температура на плазмата. Колкото по-дълго плазмата задържа своята сила, толкоз по-ефективен е реакторът.
Едно от главните провокации в този развой е турбулентността. От една страна, тя спомага за премахване на продуктите на реакцията и за подаване на свежо гориво към центъра на плазмата. От друга страна, несъразмерната турбулентност води до приключване на сила, което понижава времето за задържане на плазмата. Това може да се съпостави с капка мляко в чаша кафе: в случай че се разбърка с лъжица, течностите ще се смесят доста по-бързо. По същия метод вихрите в плазмата форсират загубата на сила, което затруднява работата на реактора.
Изследователите от Института по физика на плазмата Макс Планк (IPP) в Германия, дружно с сътрудници от пет проучвателен центъра от Европа и Съединени американски щати, за първи път съумяха да реализират цялостно съвпадане сред компютърните калкулации и пробните данни. Те са анализирали по едно и също време седем основни параметъра на плазмената турбулентност, което е доста повече спрямо предходните проучвания. При опита е употребявано оборудването ASDEX Upgrade в IPP, което е оборудвано с неповторими диагностични системи за тъкмо премерване параметрите на плазмата.
Един от основните принадлежности са микровълните. Както термометърът може да мери температурата на водата, по този начин и излъчването от самата плазма дава информация за температурата и електронната компактност. Използвайки композиция от доплерови рефлектометри и метода на корелационната радиометрия CECE, създаден в MIT, учените получиха точни данни за турбулентните съмнения в температурата и плътността на плазмата.
Експерименталните резултати бяха съпоставени с изчисленията, осъществени благодарение на програмата GENE, която е приета за международен стандарт за моделиране на плазмените процеси. Самият факт, че данните съответстват, обаче е единствено част от задачата. Работата е в това, че не е задоволително просто да се възпроизведе турбулентността в модела – належащо е да се вземат поради особеностите на самия развой на премерване, което изискваше многогодишни старания от страна на откривателите. В резултат на това учените съумяха да реализират оптимално сходство сред теоретичните калкулации и действителните опити.
Когато откривателите за първи път съпоставиха получените данни, точността на съвпаденията беше поразителна. Дори непредвидени резултати, които в началото изглеждаха необясними, бяха планувани от програмата GENE. Така да вземем за пример в един от режимите на реактора температурата на плазмата се е променяла по по-стръмен градиент, което разумно е довело до увеличение на температурните съмнения. Въпреки това, обратно на упованията, електронната компактност в този случай се е колебаела по-слабо, в сравнение с при по-плавен градиент. Въпреки това симулацията възпроизвежда тъкмо този резултат, което удостоверява нейната надеждност.
Този резултат открива нови благоприятни условия за създаването на реактори за термоядрен синтез. Вече е допустимо освен да се следи плазмата, само че и да се предвижда нейното държание с висока акуратност. Това форсира основаването на цифрови близнаци на реакторите, което ще разреши да се усъвършенстват техните параметри и да се увеличи успеваемостта им. Тези технологии са значима стъпка към комерсиализацията на термоядрената сила, която може да се трансформира в източник на чиста и на практика неизчерпаема сила за човечеството.
