Турбулентность плазмы удивила физиков необычным поведением в термоядерных реакторах

Внутри термоядерных реакторов царит настоящий хаос. По очевидным причинам – экстремальные температуры и давление – учёные обычно не могут заглянуть внутрь реактора напрямую. Некоторым физикам удалось найти обходные пути, и результаты оказались неожиданными, противоречащими общепринятым теориям о процессах внутри установок.

Во время термоядерных экспериментов реактор разогревает плазму до температур свыше ста миллионов градусов. Если всё идёт по плану, это создаёт достаточно тепла и давления, чтобы заставить две лёгкие частицы слиться, высвобождая огромное количество энергии. В процессе плазма естественным образом развивает турбулентность – флуктуирующие волны.

Новое видео показывает процесс термоядерного синтеза в токамаке

Впервые исследователи из Национального института термоядерных наук в Японии детально зафиксировали турбулентность плазмы, обнаружив две неожиданные роли этого явления. Турбулентность действует как переносчик и посредник тепла одновременно, согласно недавней публикации в Communications Physics.

Подобно турбулентности в полёте – нерегулярным нарушениям воздушного потока, создающим тряску самолёта – турбулентность плазмы транспортирует тепло и частицы наружу неравномерными паттернами. Без контроля это может привести к значительной потере энергии, которая могла бы пойти на термоядерные реакции, что плохо сказывается на эффективности.

С другой стороны, уже существовало расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами. Согласно теории, тепло и турбулентность должны постепенно распространяться от центра реактора к краям. Однако эксперименты иногда показывали гораздо более быстрое распространение турбулентности.

Для эксперимента учёные использовали крупную гелиевую плазменную установку NIFS, чтобы исследовать, как тепло и турбулентность реагируют на короткие и длинные паттерны нагрева. Затем провели детальные измерения изменений температуры, турбулентности, распространения тепла и других метрик.

К удивлению исследователей, некоторые части турбулентности, названные "посредником", быстро соединили различные области плазмы. Это произошло менее чем за 0.0001 секунды после начального нагрева. Вслед за "посредником" турбулентность-"носитель" перенесла тепло по всей плазме, выравнивая распределение температуры во всей структуре. "Посредники" становились сильнее и распространяли тепло быстрее при более коротких периодах начального нагрева.

Внутри плазмы турбулентность играет две роли – "посредника" и "носителя", передавая локальные изменения всей структуре практически мгновенно.

Ученые MIT совершили прорыв в масштабировании ядерного синтеза с помощью машинного обучения

Команда сейчас изучает, можно ли намеренно контролировать роль "посредника" для создания более медленных, но эффективных плазменных реакторов. Эта "дистанционная, но мгновенная" реакция также может объяснять физику других природных явлений с турбулентностью – океанов, атмосферных условий и других процессов.