Исследования поведения плазмы в токамаках — устройствах в форме тора, предназначенных для получения электроэнергии с помощью термоядерного синтеза, — выявили важную закономерность в распределении частиц внутри этих систем. Внутри токамаков перегретая плазма удерживается магнитными полями, однако часть частиц покидает центральную область и направляется к дивертору — системе отвода.

При достижении дивертора частицы сталкиваются с металлическими пластинами, охлаждаются и частично возвращаются обратно в плазму, что способствует поддержанию реакции синтеза. Однако эксперименты показали, что значительно больше частиц оседает на внутренней мишени дивертора, чем на внешней. Это неравномерное распределение имеет важное значение для проектирования будущих термоядерных реакторов, поскольку инженерам необходимо точно знать, где будут концентрироваться частицы, чтобы создавать диверторы, способные выдерживать экстремальные температуры и нагрузки.

Ранее основное объяснение асимметрии связывали с поперечными дрейфами частиц через магнитные линии. Однако моделирование, учитывающее только этот эффект, не совпадало с результатами экспериментов, что вызывало сомнения в надежности используемых моделей для проектирования реакторов.

Недавние исследования выявили, что тороидальное вращение плазмы — движение по кругу внутри токамака — существенно влияет на конечное распределение частиц в системе отвода. С помощью программного комплекса SOLPS-ITER были смоделированы различные сценарии поведения плазмы, включая и исключая поперечные дрейфы и вращение. Результаты показали, что только при одновременном учёте обоих факторов моделирование совпадает с экспериментальными измерениями.

Для проверки гипотезы были проведены моделирования на токамаке DIII-D в Калифорнии с четырьмя различными сценариями. Совпадение с экспериментальными данными было достигнуто только после добавления параметра, отражающего измеренную скорость вращения ядра плазмы — 88,4 километра в секунду. Совместное влияние поперечного дрейфа и вращения оказалось значительно сильнее, чем каждого из факторов по отдельности.

Эти выводы подчеркивают важную связь между вращением плазменного ядра и поведением частиц на краю системы. Точное описание этой взаимосвязи необходимо для прогнозирования движения частиц в будущих реакторах. Более точные прогнозы позволят создавать диверторы, которые будут более устойчивыми и лучше приспособленными к реальным условиям эксплуатации, обеспечивая эффективное распределение тепла и частиц.