Неравномерность распределения плазмы в токамаках была предметом длительных наблюдений со стороны исследователей. Частицы плазмы, покидающие ядро и поступающие в выхлопную систему (дивертор), в основном сталкиваются с внутренней пластиной дивертора, а не с внешней. Для разработки диверторов, способных противостоять высоким тепловым нагрузкам, важно выяснить причины этого явления.

Ранее проводившиеся разъяснения касались поперечных отклонений частиц внутри дивертора – их перемещения относительно линий магнитного поля. Тем не менее, результаты компьютерного моделирования, основанные исключительно на этом факторе, не позволили воспроизвести зафиксированную асимметрию, что поставило под вопрос их целесообразность при разработке новых установок.

Согласно свежим симуляциям, тороидальное вращение плазмы, то есть движение частиц вокруг токамака, оказывает значительное влияние на распределение частиц в выхлопной системе. Проведенные расчеты в различных режимах показали, что для соответствия результатов моделирования экспериментальным данным необходимо учитывать одновременное вращение плазменного ядра и поперечные дрейфы.

«В плазме можно выделить два типа потока. Первый – поперечный, характеризующийся отклонением частиц вбок вдоль линий магнитного поля, второй – параллельный, при котором частицы движутся по этим линиям. Ранее многие полагали, что именно поперечный поток является причиной возникновения асимметрии. Однако, как указывают результаты проведенной работы, параллельный поток, обусловленный вращением ядра, играет не менее значимую роль, — говорит Эрик Эмди, научный сотрудник Принстонской лаборатории физики плазмы, входящей в структуру Министерства энергетики США, и ведущий автор исследования.

Используя токамак DIII-D, расположенный в Калифорнии, исследователи воссоздали плазму и проверили четыре различных подхода: с учетом поперечных дрейфов и без них, с вращением плазмы и без него. Достоверные результаты моделирования были получены лишь после включения данных о скорости вращения ядра плазмы, которая составила 88,4 км/с.

Совместное воздействие факторов оказалось гораздо более существенным, чем влияние каждого из них по отдельности. Анализ полученных данных показывает, что для точного предсказания поведения выбросов в будущих термоядерных установках важно принимать во внимание воздействие вращающегося плазменного ядра на пограничные потоки. Это даст возможность инженерам создавать диверторы, более эффективно адаптированные к условиям их работы.