воскресенье, 8 апреля 2012 г.

Предложен новый способ повышения эффективности удержания плазмы

Предложен новый способ повышения эффективности удержания плазмыКандидат физико-математических наук Михаил Цвентух, работающий в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН), представил новый алгоритм расчёта устойчивости плазмы в магнитных ловушках, делающий возможной усовершенствованную конструкцию магнитной ловушки токамаков (и не только), с существенно более высокими параметрами удержания горячей плазмы.

Вопрос магнитного удержания плазмы с предельными параметрами актуален как для управляемых термоядерных реакций синтеза, так и для понимания фундаментальных свойств динамики плазмы в магнитном поле. Суть магнитной термоизоляции плазмы — в создании и поддержании по возможности наибольшего давления плазмы в центре магнитной ловушки и наименьшего — на её периферии. Однако плазма просачивается наружу, сглаживая этот градиент; при этом важно избежать быстрого выплёскивания плазмы из ловушки. Этого можно добиться, например, создавая магнитную конфигурацию типа «ямы» либо довольствуясь «плавным» спадом давления. У последнего случая есть простая физическая аналогия — гора с песком с предельным углом наклона.

Простейшей ловушкой с ямой является антипробкотрон (касп), образованный двумя соосными токовыми витками с противоположным током. Силовые линии в нём вогнуты к центру ловушки: это так называемая «благоприятная» кривизна. Пробкотрон — это два соосных витка с однонаправленными токами; такая ловушка имеет силовые линии, выпуклые наружу. Кривизна «неблагоприятна», но чем сильнее силовые линии выпуклы, тем резче может спадать давление плазмы без возникновения неустойчивости.

В работе Михаила Цвентуха, сотрудника Лаборатории импульсных процессов, предлагается совместить оба метода удержания. «Внутрь ловушки нужно «поставить» магнитную яму, а снаружи «насыпать песок» с предельным градиентом, то есть скомбинировать ловушки с выпуклыми и вогнутыми силовыми линиями, — рассказывает учёный. — Кажется, что профили давления внутри ямы и снаружи должны быть независимы, но, как выяснилось, в этом случае наружный градиент становится существенно круче. Дело в том, что влияние ямы проникает за её границы, и стабилизация происходит и во внешних областях. Это довольно неожиданный положительный эффект».

Суть эффекта в том, что частицы на выпуклых и вогнутых участках силовой линии дрейфуют в противоположные стороны, из-за этого наведённый неустойчивостью объёмный заряд компенсируется и для инициирования неустойчивости требуется более высокий градиент давления плазмы. Этот дрейф (усреднённое движение) в неоднородном магнитном поле и есть инициатор неустойчивости; таким образом, даже частичная компенсация дрейфа на силовой линии делает эту область более стабильной.

Описанная картина проявляется, если использовать более точный «кинетический» критерий устойчивости плазмы вместо более простого — магнитогидродинамического, в котором плазма описывается как жидкость. При этом кинетический критерий более подходит для горячей (высокотемпературной) плазмы, где столкновения между частицами довольно редки.

Сам критерий известен с конца 1950-х, после классических работ Кадомцева, Крускала и Обермана, Розенблюта и Ростокера. Однако его общий вид чрезвычайно громоздок. Требовались упрощения и численные расчёты. Затем, в 1983 году, В. В. Арсенин из в Курчатовского института, применив этот критерий к ловушке со знакопеременной кривизной, показал устойчивость слоя плазмы у границы ямы («Письма в ЖЭТФ», т. 37, стр. 534). Принципиальная новизна нынешней работы в том, что эффект стабилизации был определён количественно, то есть был вычислен результирующий предельный профиль плазменного давления для реальных (экспериментальных) магнитных конфигураций.

«Результат оказался слишком неожиданным, — поясняет Михаил Цвентух. — Вместо пологого — «параболического» — профиля давления плазмы получается центрально-пикированный, похожий в сечении на древнерусский шлем. Получив резкий скачок, я сначала даже подумал, что это какая-то ошибка. Но тут действительно работает сложение стабилизирующих эффектов».

Важно, что такой подход к стабилизации плазмы можно применить в самых разнообразных магнитных ловушках, в том числе простейших. «Система гораздо проще токамака по техническому исполнению, — рассказывает исследователь. — Это открытые ловушки с осевой симметрией. Из них также можно сделать замкнутую систему. Можно добавлять небольшие стабилизаторы к существующим ловушкам и получать более высокие предельные параметры плазмы. Вообще говоря, простота геометрии, в частности осевая симметрия, позволяет получать плазму с лучшими параметрами. Например, рекордный уровень давления плазмы, а именно параметр бета (отношение давлений плазмы и магнитного поля) на уровне 70%, недавно был получен в осесимметричной ловушке. Для сравнения: в токамаках «высокая» бета — это единицы процентов».

Сегодня актуальны различные термоядерные приложения, не только в виде «чистой» термоядерной энергетики, но и как термоядерный источник быстрых нейтронов для гибридного реактора «синтез — деление». Такой источник позволяет делить природный уран и торий; при этом ничего обогащать не нужно — а значит, и бомба невозможна. Кроме того, с его помощью можно безопасно «дожигать» радиоактивные отходы, которые сейчас требуют длительного хранения. Несомненно, повышение эффективности удержания плазмы облегчит практическую реализацию этих устройств.

Дело за «малым» — экспериментальным подтверждением столь многообещающего эффекта.

Подготовлено по материалам ФИАН-информ.

Оригинальная статья

Поделитесь этой новостью с Вашими друзьями!

Ранее в рубрике "Другие новости науки и техники":

Летающие машины: бум или мода?
Разработчики летающих машин очевидно активизировались: Terrafugia везёт свой самолёто-автомобиль на Нью-Йоркский автосалон, а голландская PAL-V начала полёты одноимённого автомобиля-автожира. Что же это? Техническая революция или очередной этап эволюции конструкторской мысли? Transition Transition Roadable Aircraft американской компании Terrafugia представляет собой двухместный летающий автомо...
  (читать дальше)

Как жир защищает нас от диабета
Диабет второго типа связан с неспособностью жировых клеток превращать глюкозу в жир. Пока эти клетки реагируют на присутствие углеводов в крови, у диабета нет шансов. За последние десять лет учёные узнали о жировых клетках много нового: сразу несколько исследовательских групп обнаружили, что адипоциты контролируют уровень сахара и инсулина. Для этого жировым клеткам необходимо чувствовать сахар ...
  (читать дальше)

«Титаник»: идеальный шторм или закономерный итог?
Любая катастрофа с гибелью большого числа людей вызывает вопрос: что это было? Ужасный конец прекрасно задуманного и построенного, но слегка невезучего проекта — или ужасы без конца, такие как неправильное планирование с самого начала и отвратительное исполнение до финала? «Титаник» не стал исключением. По мере приближения столетней годовщины со дня трагедии (15 апреля 1912 года) появляются всё но...
  (читать дальше)

Пчёлы используют прополис, чтобы отбиться от грибка
В случае патогенной грибковой инфекции пчёлы резко увеличивают производство прополиса, который помогает им справиться с болезнью. Некоторые пчеловоды предпочитают не иметь дела с пчёлами, производящими большие количества прополиса. Это клейкообразное вещество, которое насекомые делают из растительных смол и восков, обмазывая им стенки улья. Прополис используется в медицине, но его избыток затруд...
  (читать дальше)

Впервые получены подробные данные об экосистеме маврикийских дронтов
Длительная засуха, которая поразила Маврикий около 4 200 лет назад, превратила один из немногих источников пресной воды на острове в смертельную грязевую ловушку для дронтов, гигантских черепах и других животных. Раскопки позволили обнаружить целый ряд останков маленьких существ (насекомых, летучих мышей, улиток), а также пыльцу и семена растений. Тем самым удалось получить на редкость полную ка...
  (читать дальше)

Медиаочки Epson Moverio BT-100 поступили в продажу в США
Компания Epson объявила о доступности на американском рынке мультимедийных видеоочков Moverio BT-100 стоимостью около 700 долларов. Устройство формирует картинку, эквивалентную по размеру изображению на 80-дюймовой панели, просматриваемому с пяти метров. Поддерживается работа с 2D- и 3D-контентом. Благодаря полупрозрачности очков пользователи могут видеть то, что происходит вокруг. Очки снабже...
  (читать дальше)

Facebook, возможно, создаёт собственную поисковую систему
Facebook, по информации «осведомлённых веб-источников», сформировала команду специалистов по разработке собственного поискового движка. Поисковик, как отмечается, нужен соцсети для того, чтобы «помочь пользователям лучше ориентироваться в том огромном количестве контента, который генерируют участники Facebook в обновлениях статусов, сообщениях, видео и других материалах». Кроме того, движок, по ...
  (читать дальше)

Как получить жидкое горючее из углекислого газа и солнечного света
Представьте себе, что вы вовсю используете электричество, чтобы привести в движение свою обычную бензиновую машину. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) впервые продемонстрировали метод конвертации диоксида углерода в жидкое горючее изобутанол, применив электричество. Получить электроэнергию можно бездной способов, самый простой — из розетки. Но как бы вы ни добыва...
  (читать дальше)

Отпечатки пальцев могут выдать ваш рост и пол
Судебный антрополог, адъюнкт-профессор Дэниэл Франклин из Университета Западной Австралии недавно опубликовал исследование, из которого следует, что целое столетие обычные отпечатки пальцев драматически недооценивались как источник информации. Г-н Франклин и его коллеги из Университета Малайи (Малайзия) утверждают, что по отпечаткам пальцев можно восстановить телосложение и пол того, кто их оста...
  (читать дальше)
НАСА и ЕКА будут осваивать Марс в четыре этапа
Группа учёных из Европы, Канады и США, включая специалистов НАСА и ЕКА, выделила четыре главных требования к будущим проектам, посвящённым доставке образцов марсианского грунта на Землю. Во главу угла поставлены поиск следов прошлой или нынешней жизни. Отправка человека — на последнем месте. Хотя выполнение первоочередной задачи — всё равно что поиск иголки в стоге сена, учёные полагают, что и...
  (читать дальше)

Как природа осуществляет наноразмерный контроль за солнечной энергией
Начало природного процесса захвата солнечной энергии происходит в абсорбирующих свет протеиновых комплексах, называемых фотосинтетическими реакционными центрами (РЦ). Даже после миллиардов лет эволюции Природа и не думает отказываться от находящегося в центре РЦ абсорбирующего свет гексамерного кофактора, нужного для проведения самой первой химической реакции фотосинтеза — индуцированного светом э...
  (читать дальше)

Почему секс и красный цвет взаимосвязаны
Исследователи пришли к выводу, что красные женские гениталии не возбуждают мужчин — следовательно, для сексуальной символики красного цвета нужно искать иное, менее наглядное объяснение. Обычно поведенческие эксперименты такого рода проводят на млекопитающих. Поэтому то, что в исследовании участвовали не самцы обезьян, а обычные мужчины, добавляет результатам ещё и солидную долю пикантности. С...
  (читать дальше)

Как мысли о смерти нам жить помогают
Размышления о смерти делают нас добрее и внимательнее, а вид на кладбище способен помочь с пошатнувшимся здоровьем. Общество обычно табуирует тему смерти. Считается (и тому есть подтверждения в работах психологов), что мысли о смерти негативно влияют на психику, способствуют асоциальному и даже антисоциальному поведению, и что нормальной жизни «размышления о вечном» следует держать в узде. С пси...
  (читать дальше)

Королевство кривых лучей
Обычно свет распространяется по прямой. Конечно, при помощи сред с различными коэффициентами преломления его можно отклонить. Однако новые исследования двух независимых научных групп показывают, что и сам по себе пучок света может изгибаться до 360˚. Часто новое — это хорошо забытое, но не обязательно старое. В конце 1970-х физики Майкл Берри из Бристольского университета (Великобритания) и Нанд...
  (читать дальше)

Объявлены победители конкурса подводной фотографии
Подведены итоги ежегодного конкурса подводной фотографии, который проходит под эгидой Школы морских и атмосферных наук Университета Майами (США). До участия допускаются только любители, которые зарабатывают на фотографии не более 20% своего дохода. Второе место в категории «Макросъёмка»: «фарфоровый» краб из семейства Porcellanidae, зацепившийся за полип морское перо в национальном парк...
  (читать дальше)

Заболевания дёсен, оказывается, не имеют отношения ни к инфарктам, ни к инсультам
Вот уже два десятка лет учёные твердят о связи между заболеваниями дёсен, инфарктами и инсультами. И вдруг новый анализ данных показывает, что эти заявления ошибочны. Американская кардиологическая ассоциация опубликовала в AHA journal Circulation «научный рапорт», заключающий, что периодонтит не повышает риска возникновения сердечно-сосудистых хворей и не является их причиной. Более того, нет ни м...
  (читать дальше)

Аспирин, возможно, помогает против ожирения
Салициловая кислота, образующаяся в результате расщепления аспирина, активирует расщепление жиров в клетке. Кажется, человечество вот уже более полутораста лет живёт с лекарством от всех болезней, не догадываясь о его чудодейственном всемогуществе. Не так давно проходило сообщение о том, что аспирин можно пить для профилактики рака; полным ходом исследуется его благотворное влияние при сердечно-...
  (читать дальше)

Как звучит симметрия субатомного мира?
Хотите услышать песнь позитрона? Итальянский инженер Доменико Вичинанца, кажется, готов воплотить вашу мечту. Этот человек уже экспериментировал с вулканической активностью и даже играл древнегреческую музыку с «Оркестром забытых звуков». Теперь его влечёт субатомный мир туманных и пузырьковых камер — предшественников современных детекторов частиц. Туманную камеру изобрёл в 1895 году шотландск...
  (читать дальше)

Нам бы расписания взять и отменить
Исследователи из Технологического института Джорджии (США) обнаружили, что отмена управления наземным общественным транспортом при помощи расписания и использование децентрализованной самоуправляющейся схемы позволяет сделать движение более эффективным. В работе, опубликованной в журнале Transportation Research, описан алгоритм, позволяющий минимизировать интервалы между появлениями автобусов на о...
  (читать дальше)