Ядерний синтез обіцяє стати революційним джерелом енергії, але досягти його поки що не вдається.

Виявляється, що використання того ж процесу, що живить Сонце, є досить складним завданням.

На сьогодні багато експериментальних реакторів мають форму "пончика", відомого як токамак. Це тороїдальна камера з магнітною котушкою.

Токамак використовує інтенсивні магнітні поля для нагріву плазми до 150 мільйонів градусів Цельсія, що приблизно в десять разів більше, ніж температура в ядрі Сонця, викликаючи злиття важких ізотопів водню та вивільнення величезної енергії.

Однак це завдання супроводжується багатьма труднощами. Наприклад, одна з основних проблем - це турбулентність, яка виникає в цій надзвичайно гарячій плазмі, що призводить до втрати тепла.

Але виявляється, що зв'язок між нестабільністю та турбулентністю є більш складним, ніж вважалося раніше, що може змінити наше уявлення про цю проблему.

У нещодавно опублікованій статті в Physical Review Letters дослідники використали найбільший працюючий токамак Північної Америки, DIII-D National Fusion Facility у Сан-Дієго, щоб надати перші експериментальні докази того, що певний тип нестабільності плазми може насправді покращити ефективність реакторів синтезу.

Дослідники виявили, що електричні струми, викликані альфеновими модами (AEs), або плазмовими хвилями, сприяють саморегулюючому ефекту, який зупиняє турбулентність.

AEs зазвичай вважаються перешкодою для ефективності синтезу, оскільки вони можуть погіршувати утримання енергійних частинок.

Однак, підтримуючи теорії та моделювання, дослідники демонструють, що AEs також можуть сприяти плазмовим потокам та електромагнітним струмам, які створюють шари потоку.

Цей шар потоку пригнічує турбулентність плазми в токамаку, підвищуючи температуру електронів і іонів, що створює більш сприятливі умови для злиття.

Це, в свою чергу, зменшує тепловий транспорт, що може звучати погано, але насправді є протилежним. У практичному сенсі зменшення транспорту означає, що більше тепла залишається в ядерній плазмі, а не витікає назовні, що підвищує потенціал для злиття.

Дослідники використовували діагностичний інструмент ядерного синтезу, відомий як ефект Мотіонного Штарка (MSE), щоб визначити магнітні зміни, що відбуваються всередині токамака.

У токамаку DIII-D MSE працює, випускаючи пучок нейтральних атомів дейтерію в плазму та вимірюючи, як змінюється поляризація випромінюваного світла внаслідок зміни магнітного поля плазми.

Цей MSE виявив зміну в аспекті, званому коефіцієнт безпеки, що є мірою, пов'язаною з тим, як магнітні лінії проходять навколо довгої (тороїдальної) та короткої (полоїдальної) вимірювань внутрішньої зони утримання.

Дослідники виміряли 5-відсоткову зміну коефіцієнта безпеки за 20 мілісекунд, що вони інтерпретують як доказ струмів, викликаних AE, і кажуть, що це узгоджується з "грубо оціненими" даними.

Отже, результати є контрінтуїтивними: нестабільності, які вважалися перешкодою для злиття, можуть насправді саморегулюватися, коли досягається певний енергетичний поріг.

Таким чином, ядерні фізики тепер мають експериментальні докази того, що процеси AE допомагають генерувати сили, які насправді розривають турбулентність, що, в свою чергу, допомагає токамаку "підтримувати" високу температуру для сприяння злиттю.

Здатність використовувати такий саморегулюючий, що пригнічує турбулентність процес, однак залишається на горизонті – але який яскравий горизонт це виглядає.

Це дослідження було опубліковане в Physical Review Letters.