Американско-японская группа физиков открыла новое состояние плазмы в токамаке — магнитного острова с саморегулируемыми осцилляциями. Оно характеризуется тем, что с определенной частотой изменяет свою проницаемость для турбулентных потоков, существующих в плазме. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз Национального Института Естественных Наук (Япония).
Плазма представляет собой ионизированный газ. Ее динамика описывается не только уравнениями Навье-Стокса (они описывают динамику обычной жидкости), но и уравнениями, описывающими измерение электромагнитного поля внутри плазмы. Из-за того, что даже про решение уравнений Навье-Стокса сложно сказать что-то конкретное (доказательство существования решений — одна из задач Тысячелетия института Клэя), описание движения плазмы в общем виде представляется неподъемной задачей.
Несмотря на это, движение плазмы активно изучается, например, в токамаках (ТОроидальных КАмерах с МАгнитными Катушками). Делается это, в том числе, в перспективе для создания термоядерных реакторов. Движение плазмы в токамаках изучено на порядок лучше других. Например, там известен такой эффект, как магнитные острова.
Магнитный остров — это особое образование в плазме, тороидальная область, внутри которой нет температурных градиентов. Он возникает при особых конфигурациях внешнего магнитного поля. Так как внутри острова нет температурных градиентов, ток плазмы можно условно считать ламинарным, а, значит, эффективно управляемым.
Трудность заключается в том, что турбулентность может проникать внутрь острова снаружи. В новой работе было установлено, что при некоторой конфигурации внешнего магнитного поля, проницаемость островов меняется со временем.
Эксперимент проводили на одном из крупнейших токамаков США — DIII-D. Он позволяет управлять размером и фазой «магнитного острова» с помощью дополнительной магнитной катушки. Авторы наблюдали за колебаниями температуры и скоростью распространения тепла в плазме, используя так называемый «метод мгновенного нагрева». Он позволяет исследовать свойства удерживаемой плазмы путем очень быстрого нагрева так, чтобы сгусток не успевал обмениваться теплом с окружающей средой (адиабатический нагрев).
Ученые сравнивали скорости распространения тепла в зависимости от двух факторов: магнитного упорядочения и процессов переноса вещества (то есть проникает турбулентность внутрь или нет). Эта взаимосвязь устроена так:
Если на поверхности сгустка плазмы нет выраженного магнитного упорядочения, то тепловой импульс распространяется быстро и с большой амплитудой. Если же наоборот, то магнитный поток от внешнего источника «удерживается». То есть, в случае магнитного островка, распространение тепла идет довольно медленно по двум направлениям.
Также скорость распространения тепла зависит от транспортных свойств перпендикулярно направлению магнитного поля. Если турбулентные потоки не проникают внутрь «островка», скорость распространения теплового импульса должна быть гораздо меньше, чем за его пределами, где вещество переносится за счет турбулентных потоков.
На основе отличий в характере колебаний температуры авторы сделали вывод, что свойства магнитных островов меняются во времени с определенной частотой, причем происходит «переключение» между двумя состояниями. Важно и то, что осцилляции, описанные в работе, происходили при постоянной конфигурации внешнего магнитного поля.