Завдання створення термоядерної енергії на Землі полягає в вловлюванні іонізованого газу, відомого як плазма, який живить термоядерні реакції в сильному магнітному полі, і утриманні плазми якомога більш гарячої і щільної якомога довше.
Тепер вчені з Прінстонської лабораторії фізики плазми отримали нове уявлення про поширений тип збою, відомий як пілоподібна нестабільність, яка охолоджує гарячу плазму в центрі і заважає реакціям синтезу. Це відкриття могло б допомогти наблизити термоядерну енергію до реальності.
«Звичайні моделі пояснюють більшість випадків збоїв, але існує ряд спостережень, які ми ніколи не змогли пояснити», - сказав фізик PPPL Крістофер Сміт, провідний автор статті, в якій повідомляється про результати в Nuclear Fusion.
«Пояснення цих незвичайних явищ могло б заповнити прогалину в розумінні пілоподібного феномену, який існує вже майже 40 років».
Термоядерний синтез об'єднує легкі елементи у вигляді плазми - гарячого, зарядженого стану речовини, що складається з вільних електронів і атомних ядер - і в процесі цього генерує величезну кількість енергії.
Вчені прагнуть відтворити термоядерний синтез у пристроях на Землі для отримання практично невичерпного запасу безпечної і чистої енергії для виробництва електрики.
Дослідники десятиліттями знали, що температура в ядрі термоядерної плазми часто піднімається повільно, а потім може раптово впасти - це небажане явище, оскільки низька температура знижує ефективність.
Переважаюча теорія полягає в тому, що збій відбувається, коли величина, звана фактором безпеки, який вимірює стабільність плазми, падає до вимірювання, близького до 1. Коефіцієнт запасу міцності пов'язаний з тим, наскільки сильно закручується магнітне поле в термоядерних установках токамаку.
Однак деякі спостереження показують, що температурний збій відбувається, коли коефіцієнт запасу міцності падає приблизно до 0,7. Це досить дивно і не може бути пояснено загальноприйнятими теоріями.
Нове розуміння, що виходить не з фізики плазми, а з абстрактної математики, показує, що коли коефіцієнт запасу міцності приймає певні значення, одне з яких близько до 0,7, магнітне поле в плазмовому ядрі може змінитися в іншу конфігурацію, звану змінно-гіперболічною.
«У цій топології плазма втрачається в ядрі», - каже Крістофер Сміт. - Плазма викидається з центру в протилежних напрямках. Це призводить до нового способу часткового розтріскування магнітного каркаса, раптового падіння температури в серцеві і повторення процесу, коли магнітне поле і температура повільно відновлюються.
Нові ідеї передбачають новий захоплюючий напрямок досліджень, спрямований на збереження більшої кількості тепла в плазмі і більш ефективне виробництво термоядерних реакцій.
«Якщо ми не можемо пояснити ці спостереження, то ми не повністю розуміємо, що відбувається в цих машинах», - кажуть дослідники. "Протидія пілоподібній нестабільності може призвести до утворення більш гарячої, більш стабільної плазми і наблизити нас до термоядерного синтезу.
Нова модель показує, що один з випадків, коли магнітна конфігурація в токамаці може змінитися відбувається тоді, коли коефіцієнт безпеки падає точно до двох третин, або до 0,666.
«Це дуже близько до значення 0,7, яке було помічено в експериментах, особливо якщо врахувати експериментальну невизначеність», - кажуть вчені.
Вони сподіваються перевірити нову модель, провівши експерименти на токамаці. «Математика показала нам, що потрібно шукати, так що тепер ми зможемо це побачити».