В поисках ядерного синтеза по всему миру проводятся исследования высокотемпературной плазмы с температурой более 100000000 градусов Цельсия. В магнитоудерживаемой плазме иногда резко возникает возбуждение флуктуаций большой амплитуды, что приводит к возможным потерям плазмы.
Такое явление влияет на работу термоядерного реактора. Поскольку существует вероятность повреждения окружающего строительного материала, выяснение механизмов, которые приводят к возбуждению, прогнозирование возбуждения и предотвращение возбуждения являются важными вопросами.
С другой стороны, и в космической плазме происходят аналогичные резкие явления, среди которых хорошо известно появление солнечных вспышек. Однако в любом случае не совсем понятно, почему внезапно происходят крупные события.
В настоящее время это нерешенная проблема.
Исследовательская группа доктора. Такеши Идо из Национального института термоядерных исследований, чтобы наблюдать потенциал плазмы внутри высокотемпературной плазмы, создаваемой в LHD и превышающей сто миллионов градусов Цельсия, разработал диагностическое устройство (зонд с пучком тяжелых ионов [1]).
Используя это устройство, при измерении флуктуаций в плазме его исследовательская группа обнаружила новое явление, при котором флуктуации, которые обычно считались стабильными, действительно резко нарастали, сопровождаясь большой амплитудой колебаний. Детально изучив экспериментальные данные, они достигли результата, в котором перед возбуждением этих резких колебаний генерировалась отдельная флуктуация. Эта прецедентная флуктуация запустила процесс, и был получен результат, указывающий на резкие колебания большой амплитуды.
Благодаря совместным исследованиям с исследовательской группой доктора. Санаэ-I.
Ито из Исследовательского института прикладной механики Университета Кюсю, исследователи построили новую теоретическую модель для объяснения этого явления. Когда они провели подтверждения с помощью численного моделирования, они успешно воспроизвели экспериментальные результаты. На основании этого они смогли обнаружить неизвестное ранее явление резкого возбуждения колебаний, уточнить механизм и предсказать возбуждение.
Важными моментами результатов этих исследований является то, что они доказали, что, когда внешний стимул выходит за пределы определенного уровня, физический механизм существует в высокотемпературной плазме, которая возбуждает резкие и большие колебания амплитуды, и они прояснили условия, необходимые для возбуждения.
Явления, обладающие таким качеством, называются докритической нестабильностью.
В качестве примера явления, при котором внезапно возбуждаются флуктуации большой амплитуды, в плазме с магнитным удержанием есть явления коллапса, такие как пилообразные колебания и разрушение, которые ухудшают характеристики плазмы, а в космической плазме происходит внезапное возникновение солнечных вспышек.
Механизмы генерации этих резких явлений – нерешенные вопросы, которые давно обсуждаются. В качестве кандидатов на причину этих резких явлений теоретически указывалось на существование докритической неустойчивости.
Благодаря этому исследованию впервые было доказано, что такая нестабильность существует в геодезических акустических волнах, которые находятся в плазме, и мы успешно предсказали возникновение этого явления. Ожидается, что эти результаты станут индикаторами в дополнение к нашему пониманию многочисленных резких явлений, которые широко наблюдаются. Обнаруженное резкое возбуждение флуктуаций указывает на возможность нагрева плазмы, вносимого этими флуктуациями. Более того, исследования в ограниченной плазме, которые могут прояснить механизм возникновения резких явлений и предсказать возникновение, внесут большой вклад в будущие исследования ядерного синтеза и развитие науки и технологий, таких как предотвращение повреждения ядерного термоядерного реактора и подавление ущерба от магнитных бурь.
Пояснения к терминологии:
(* 1) Зонд с пучком тяжелых ионов:
Это диагностический прибор для измерения электрического потенциала и флуктуаций плотности в высокотемпературной плазме, удерживаемой магнитным полем. При измерении электрического потенциала в плазме, температура которой превышает 100000000 градусов Цельсия, мы не можем вставить твердый измерительный зонд, такой как тестер. Таким образом, вместо твердого тела мы вводим тяжелый ион.
По изменениям энергии тяжелого иона, прошедшего через плазму, мы можем получить электрический потенциал и одновременно получить информацию о плотности плазмы по изменению количества обнаруженных тяжелых ионов.
(* 2) Пилообразные колебания:
Это явление, при котором в плазме типа пончика распределение температуры и плотности схлопывается и регенерируется почти циклически.
Когда мы измеряем температуру в плазменном ядре и силу мягкого рентгеновского излучения, они постепенно увеличиваются и внезапно снова и снова уменьшаются. Это название было добавлено, потому что волновая структура сигналов напоминает полотно пилы.
(* 3) Нарушение:
Это явление коллапса, которое можно наблюдать в токамаке, который является одним из типов удержания плазмы ядерного синтеза. Плазма исчезает за очень короткий период, обычно 1/1000 секунды.
Существует вероятность того, что тепловая энергия и электромагнитная энергия, которые излучаются в это время, могут повредить устройство, и в ядерном термоядерном реакторе типа токамак создание метода управления, с помощью которого не возникает явления коллапса этого типа, является важный.
(* 4) Геодезический акустический режим:
Когда самолет стремится пролететь кратчайшее расстояние до пункта назначения, он следует по большому круговому маршруту. Трасса большого кругового маршрута плавания также называется «геодезической линией», и над земным шаром это линия изгиба, соединяющая точки в «прямую» линию.
Поскольку плазма принимает форму бублика, магнитная силовая линия не становится геодезической. Когда плазма заряжена, она движется вертикально к магнитной силовой линии. Однако, поскольку магнитная силовая линия не является геодезической линией, плазма сжимается и расширяется.
Колебания, сопровождающие сжатие и расширение, называются геодезическими акустическими волнами."Когда генерируется геодезическая акустическая волна, она подавляет турбулентность плазмы. Кроме того, он передает энергию альфа-частиц, рожденных в результате реакции синтеза, топливу, и есть другие возможности.
Для ядерного синтеза это считается важным колебанием.