Нов пробив би могъл да оправи фаталния дефект в термоядрените реактори

Нов суперкомпютърен модел може да помогне на учените да достигнат до енергията от ядрен синтез. Реакторите на Tokamak се характеризират с електромагнитни петна, които свиват или охлаждат плазмата. Пълната симулация позволява на учените безопасно да анализират рисковите фактори и потенциалните решения.

По дългия път към ядрения синтез учените продължават да се сблъскват с една от най-изявените пречки: локализирани режими на ръба, или петната (ELM). Тези петна се образуват на ръба на плазмения вихър на токамака, причинени от взаимодействието на мощното магнитно поле и горещата като Слънцето плазма.

В миналото учените са предлагали няколко решения, включително пулсиращи радиовълни. Но сега изследователите от Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) в Германия имат, според тях, първата симулация на формирането на ELM – което улеснява моделирането на рисковете и потенциалните решения.

„След обширна предишна работа сега е възможно за първи път посредством изчислителни симулации да се идентифицира спусъкът, отговорен за експлозивното начало на тези нестабилности на ръба, и да се реконструира хода на няколко цикъла на ELM – в добро съгласие с експериментално наблюдаваните стойности”, се казва в прессъобщение на IPP. Изследванията върху симулацията са приети за публикуване в списанието Nuclear Fusion.

Токамакът е машина с форма на поничка, чиято камера е проектирана да огражда поток от реактивна, произвеждаща енергия материя в плазмено състояние. Потокът от плазма се задържа физически от магнитно поле, генерирано от електромагнити и свръхпроводници, с пресичащ се магнетизъм вътре в камерата на токамака. Самата камера не е проектирана така, че да я докосва плазма с температура милиони градуси, но досега създаването на надеждно магнитно поле се оказа изключително трудно.

Когато се образуват ELM, те могат да действат като вид слънчев факел или гейзер, изпръсквайки се от главния поток и нарушавайки го. Излизащата плазма може драстично да намали изхода на енергия или дори да повреди оборудването. А мащабът на въздействието зависи например от размера на токамака. Експериментирането с ELM рискови фактори в масивния международен термоядрен реактор ITER може да струва милиони долари, докато симулацията може да помогне на учените да разберат механиката на ELM без скъпите странични ефекти.

Тъй като залогът е толкова висок при термоядрените реактори, моделирането дори на част от секундата на тези взаимодействия е изключително ценно.

„Въпреки че процесите се извършват за много кратко време, тяхната симулация изисква много изчислителни усилия“, обясняват в изявлението на IPP. „Това е така, защото симулацията трябва да разреши на малки стъпки на изчисление както краткия срив на ELM, така и дългата фаза на развитие между два ELM – проблем за изчисление, който може да бъде разрешен само с един от най-бързите суперкомпютри, които се предлагат в момента.“

Това отговаря на естествения последващ въпрос: След десетилетия изследвания на термоядрения синтез, защо това е първият модел на ELM? Дори суперкомпютрите могат да направят само толкова, а моделирането на сложни системи включва отчитане на възможно най-много частици през възможно най-малките времеви рамки:

„Теоретиците на плазмата […] успяха да опишат и обяснят сложните физически процеси, стоящи зад това явление, в детайли: като нелинейно взаимодействие между дестабилизиращите ефекти – рязкото покачване на плазменото налягане в плазмения ръб и увеличаването на тока плътност – и стабилизиращия плазмен поток, “ се казва в съобщението на IPP.