Физики определили влияние нейтральных атомов на возникновение турбулентностей в плазме
Физики из Принстонского университета с помощью гидрокинетического кода XGC1 смоделировали поведение нейтральных атомов, возникающих при взаимодействии горячей плазмы со стенками токамака, и проанализировали их влияние на возникновение турбулентностей и неустойчивостей в плазменном шнуре. Научная статья опубликована в журнале Nuclear Fusion, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе на сайте лаборатории.
Предполагается, что будущие термоядерные реакторы по принципу токамака будут работать в режиме улучшенного удержания плазмы, так называемом режиме Н-моды. При нем тепловые потери плазмы резко снижаются, а температура в центре плазменного шнура нарастает при увеличении мощности дополнительного нагрева, что позволяет сильно увеличить энерговыделение и сделать реактор более выгодным. В то же время способы перевода из режима L-моды (режима слабого удержания) в режим Н-моды на настоящий момент недостаточно изучены.
Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на L-Н-переход, является наличие в вакуумной камере токамака нейтральных атомов. Нейтральные атомы водорода возникают вблизи поверхности плазменного шнура в результате различных взаимодействий частиц в плазме. Примерами таких взаимодействий могут служить перезарядка ионов на атомах и диссоциация молекул. Атомы, обладающие наиболее высокой энергией (порядка 3 электронвольт), и, как следствие, наибольшими длинами свободного пробега, проникают внутрь плазменного шнура, где взаимодействуют с ионами и охлаждают их, отбирая энергию, что приводит к увеличению градиента ионной температуры (под температурой ионов имеется ввиду их энергия) от центра к периферии шнура.
Полученные результаты показали, что уменьшение энергии ионов, возникающее вследствие взаимодействия ионов с нейтральными атомами, приводит к усилению турбулентных процессов в плазме. Причем это усиление происходит не только в области непосредственного взаимодействия нейтральных атомов с ионами, но и вдоль всей траектории движения охлажденных ионов. Наличие турбулентностей провоцирует образование неустойчивостей, из-за чего плазму становится сложнее удерживать долгое время. Кроме того из-за неустойчивостей плазма может «выплеснуться» на стенки вакуумной камеры и повредить их. Также было обнаружено, что наличие нейтральных атомов у стенок камеры приводит к снижению скорости дрейфа частиц плазмы в радиальном направлении, то есть к тому, что плазменный шнур медленнее расплывается к стенкам реактора. Это важное наблюдение может быть использовано в дальнейших экспериментах по магнитному удержанию плазмы.
В будущем физики планируют сравнить полученные результаты численного моделирования с результатами экспериментальных наблюдений, а также осуществить более полное моделирование с учетом большего количества процессов, например, включить в рассмотрение подвижные электроны.
Ранее мы рассказывали о
в новом английском токамаке ST40, принадлежащем частной компании, о
рекорде по времени удержания плазмы в магнитном поле в режиме Н-моды, а также об
нового немецкого экспериментального термоядерного реактора Wendelstein 7-X.
Александр Войтюк
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.