Лазеры могут быстро намагничивать плазму для термоядерного синтеза
Ученые объяснили, как мощные лазеры могут почти мгновенно создавать сильные магнитные поля в плазме. Это поможет точнее моделировать эксперименты по инерциальному термоядерному синтезу.
Источник: Kyle Palmer / PPPL Communications Department. Художественная интерпретация лазеров, намагничивающих плазму.
МОСКВА, 6 мая. /Новости науки/. Ученые выяснили, почему плазма при ударе мощного лазера может сама создавать сильные магнитные поля. Работа поможет точнее рассчитывать эксперименты по прямому лазерному сжатию топлива — одному из подходов к управляемому термоядерному синтезу. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В прямом инерциальном синтезе мощные лазеры сжимают небольшую капсулу с топливом. Она должна нагреться до условий, при которых начинаются реакции слияния атомных ядер. Но если в плазме неожиданно возникают магнитные поля, они меняют перенос тепла. Из-за этого расчеты могут расходиться с реальным поведением установки.
Авторы работы смоделировали удар мощного лазера по алюминиевой мишени. Когда интенсивность лазера превышала определенный порог, расширяющаяся плазма намагничивалась менее чем за миллиардную долю секунды. Магнитные поля достигали 40 тесла. Это примерно в миллион раз сильнее магнитного поля Земли. При меньшей интенсивности плазма почти не намагничивалась.
Причина оказалась в температурном перекосе. Когда нагретая лазером плазма быстро расширяется, она по-разному охлаждается в разных направлениях. Такой дисбаланс запускает неустойчивость Вейбеля — процесс, при котором в плазме рождаются магнитные поля. Столкновения частиц, наоборот, стремятся вернуть систему к равновесию. Если лазер достаточно мощный, дисбаланс побеждает, и магнитное поле успевает возникнуть.
После появления магнитных полей поведение плазмы меняется. Электроны начинают двигаться по закрученным траекториям, и тепло хуже уходит из области, куда попал лазер. Это влияет на температуру и общее развитие плазмы.
Ученые также вывели простой критерий, который помогает заранее понять, возникнет ли намагничивание при заданных параметрах лазера и мишени. По словам Лежнина, порог оказался ниже, чем ожидалось, и близок к условиям обычных экспериментов по инерциальному синтезу. Поэтому эффект может быть важен для многих лабораторных установок.
В прямом инерциальном синтезе мощные лазеры сжимают небольшую капсулу с топливом. Она должна нагреться до условий, при которых начинаются реакции слияния атомных ядер. Но если в плазме неожиданно возникают магнитные поля, они меняют перенос тепла. Из-за этого расчеты могут расходиться с реальным поведением установки.
Авторы работы смоделировали удар мощного лазера по алюминиевой мишени. Когда интенсивность лазера превышала определенный порог, расширяющаяся плазма намагничивалась менее чем за миллиардную долю секунды. Магнитные поля достигали 40 тесла. Это примерно в миллион раз сильнее магнитного поля Земли. При меньшей интенсивности плазма почти не намагничивалась.
Причина оказалась в температурном перекосе. Когда нагретая лазером плазма быстро расширяется, она по-разному охлаждается в разных направлениях. Такой дисбаланс запускает неустойчивость Вейбеля — процесс, при котором в плазме рождаются магнитные поля. Столкновения частиц, наоборот, стремятся вернуть систему к равновесию. Если лазер достаточно мощный, дисбаланс побеждает, и магнитное поле успевает возникнуть.
После появления магнитных полей поведение плазмы меняется. Электроны начинают двигаться по закрученным траекториям, и тепло хуже уходит из области, куда попал лазер. Это влияет на температуру и общее развитие плазмы.
Ученые также вывели простой критерий, который помогает заранее понять, возникнет ли намагничивание при заданных параметрах лазера и мишени. По словам Лежнина, порог оказался ниже, чем ожидалось, и близок к условиям обычных экспериментов по инерциальному синтезу. Поэтому эффект может быть важен для многих лабораторных установок.