Учёные впервые напрямую наблюдали «двойную роль» турбулентности в плазме

Для получения энергии термоядерного синтеза необходимо нагреть плазму до температуры свыше ста миллионов градусов и удерживать её сильными магнитными полями. Однако в плазме естественным образом возникают флуктуации, известные как турбулентность, которые уносят тепло наружу и ослабляют удержание. Поэтому понимание того, как распространяются тепло и турбулентность, имеет ключевое значение.

(Вверху) Турбулентность-«посредник» напоминает игроков, которые перекрикиваются и быстро передают мяч (тепло) друг другу. Она почти мгновенно связывает удалённые области плазмы и ускоряет распространение тепла. (Внизу) Теплопереносящая турбулентность действует как игрок в американский футбол, бегущий вперёд и крепко держащий мяч. Она распространяется медленнее и формирует общий профиль температуры плазмы. Автор: Национальный институт термоядерного синтеза.

Согласно традиционной теории, тепло и турбулентность движутся постепенно от центра к краю. Однако эксперименты иногда показывали, что они распространяются гораздо быстрее, подобно быстрым пасам мяча на длинные дистанции в американском футболе, когда локальное изменение влияет на всё поле почти мгновенно. Выяснение причины этой быстрой реакции на больших расстояниях долгое время оставалось сложной задачей.

Исследовательская группа из Национального института термоядерного синтеза провела кратковременный нагрев ядра плазмы в установке «Лардж Хеликал Дивайс» (Large Helical Device) и использовала высокоточные диагностические инструменты на основе электромагнитных волн различной длины для измерения температуры, турбулентности и распространения тепла с высоким пространственным и временным разрешением.

Работа была опубликована в журнале Communications Physics.

Измерения выявили тесную связь между распространением тепла и поведением турбулентности. Сразу после нагрева появился тип турбулентности, который соединил удалённые области плазмы менее чем за одну десятитысячную долю секунды. Эта турбулентность-«посредник» напоминает футболистов, перекликающихся друг с другом и быстро передающих мяч, что позволяет удалённым областям реагировать согласованно.

После этой быстрой реакции другой тип турбулентности распространялся медленнее. Эта теплопереносящая турбулентность ведёт себя как игрок, крепко держащий мяч и бегущий с ним вперёд, формируя общий профиль температуры плазмы.

Эксперименты также показали, что более короткие импульсы нагрева усиливали турбулентность-«посредник» и заставляли тепло распространяться быстрее. Эти наблюдения демонстрируют, что турбулентность плазмы играет две роли одновременно. Одна роль — переносить тепло наружу, а другая — соединять удалённые области, чтобы тепло могло внезапно распространиться по всей плазме.

Значение и перспективы

Это исследование впервые с высоким разрешением экспериментально идентифицировало турбулентность-«посредник», которая связывает удалённые части плазмы одновременно. Оно также представляет первое прямое доказательство того, что турбулентность играет две различные роли: одна переносит тепло наружу, а другая соединяет удалённые области, позволяя теплу быстро распространяться по плазме.

Эти результаты объясняют, как тепло, введённое в центре плазмы, может быстро распространиться к краю, и формируют научную основу для прогнозирования и управления переносом тепла в будущих термоядерных реакторах. Контроль над турбулентностью-«посредником» может помочь создать условия в плазме, при которых тепло распространяется медленнее, улучшая удержание.

Свойство одновременного отклика удалённых областей наблюдается и в других природных системах, включая океаническую и атмосферную циркуляцию, а также перенос энергии внутри материалов. Следовательно, полученные результаты могут быть актуальны и для областей за пределами исследований термоядерной энергии.

Больше информации: Наоки Кенмочи и др., Прямое наблюдение сосуществующей локальной и нелокальной турбулентности в магнитно-удерживаемой плазме, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02454-x

Источник: National Institutes of Natural Sciences