Два исследования IPP с использованием первых принципов раскрывают механизмы турбулентности на краю термоядерной плазмы

10 августа 2026 года две исследовательские группы Института физики плазмы имени Макса Планка (IPP) опубликовали результаты своих работ, впервые объяснив ключевые явления в сверхтонком краевом слое термоядерной плазмы на основе фундаментальных уравнений физики. Обе статьи опубликованы в журнале Physical Review Letters, одна из них отмечена редакцией журнала как рекомендуемая к особому вниманию.

Для стабильной работы термоядерной электростанции необходимо одновременно выполнить два требования: с одной стороны, эффективно удерживать плазму с температурой около 100 миллионов градусов Цельсия для достижения условий термоядерного зажигания; с другой стороны, распределять выделяемое тепло по достаточно большой площади, чтобы избежать повреждения стенок установки из-за чрезмерной локальной тепловой нагрузки. Возможность разрешения этого противоречия во многом зависит от области толщиной всего в несколько сантиметров на краю плазмы.

В токамаке на краю плазмы существует невидимая граница, называемая сепаратрисой. Внутри сепаратрисы силовые линии магнитного поля замкнуты, и плазма удерживается в центральной области; снаружи сепаратрисы силовые линии направлены к активным охлаждаемым компонентам. В идеальном случае на краю формируется крутой градиент давления, так называемый «пьедестал», который действует как теплозащитный слой и напрямую влияет на общие характеристики установки. Однако если пьедестал слишком силён, плазма может высвобождать большое количество энергии импульсным образом, что приводит к концентрации тепла на малом участке стенки и создаёт риск для будущих термоядерных электростанций.

Доктор Кайюй Чжан (Kaiyu Zhang) и его команда из отдела теории токамаков IPP смоделировали режим работы, позволяющий избежать импульсного высвобождения энергии, — режим квазинепрерывного сброса. В этом режиме плазма сбрасывает энергию не редкими импульсами большой амплитуды, а непрерывно, небольшими порциями тепла.

Моделирование показало, что вдоль сепаратрисы распространяется волновая структура, вызывающая ритмичные колебания границы пьедестала. Одновременно с обеих сторон сепаратрисы постоянно отделяются пальцеобразные сгустки плазмы. Диаметр этих сгустков составляет около 1 сантиметра, но вдоль силовых линий они могут простираться более чем на 10 метров и распространяться наружу со скоростью около 1000 метров в секунду, распределяя тепло по большей площади.

Исследователи доказали, что этот процесс обусловлен взаимодействием двух типов неустойчивостей в области сепаратрисы. Когда это взаимодействие исключалось из расчётов, сгустки плазмы, переносящие тепло, исчезали. Полученные в моделировании распределения плотности и температуры соответствуют экспериментальным измерениям на токамаке ASDEX Upgrade в Гархинге (IPP), при этом теоретическая модель не подвергалась искусственной подгонке для согласования с экспериментальными результатами. Кайюй Чжан отметил, что теперь команда может объяснить, исходя из физических принципов, почему тепло теряется в виде небольших сгустков.

Другая статья, возглавляемая доктором Батистом Фрайем (Baptiste Frei), даёт объяснение давней проблеме термоядерных исследований: при прочих равных условиях простое изменение направления магнитного поля в токамаке может удвоить мощность нагрева, необходимую для достижения режима с хорошими теплоизоляционными свойствами — H-режима.

Результаты моделирования на основе ASDEX Upgrade показывают, что краевая турбулентность плазмы сама генерирует потоки, которые, в свою очередь, сдвигают турбулентные структуры, тем самым регулируя интенсивность турбулентности. Этот процесс обратной связи действует не одинаково эффективно при двух направлениях магнитного поля. Только когда турбулентные структуры наклонены под определённым углом и могут эффективно передавать энергию потоку, сдвиговый поток легче формируется и подавляет турбулентность; при неблагоприятном направлении магнитного поля передача энергии слабее, турбулентность сильнее, а стабильный сдвиговый поток мельче.

Моделирование также показало, что геометрия дивертора играет важную роль в этом механизме. Исследователи обнаружили аналогичные особенности в моделировании других установок, что указывает на возможную универсальность этого механизма. Фрай отметил, что в некотором смысле изменение направления магнитного поля меняет режим работы турбулентности, а также сложность перехода плазмы в H-режим.

Два исследования затрагивают разные вопросы, но приводят к одному выводу: на краю плазмы турбулентность — это не просто возмущение, которое необходимо подавлять. Она способна через процессы самоорганизации участвовать в регулировании теплоизоляционных свойств плазмы и способов отвода тепла.

Для проектирования Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) и будущих демонстрационных термоядерных электростанций количественное понимание таких механизмов краевой турбулентности имеет решающее значение. В прошлом соответствующие прогнозы в основном опирались на эмпирические законы подобия, обобщённые из существующих экспериментов; однако для ещё не построенных термоядерных электростанций опора только на эмпирическую экстраполяцию сопряжена с неопределённостью. Эти два исследования IPP, основанные на моделировании с использованием первых принципов, предоставляют новую физическую основу для проектирования краевой плазмы будущих термоядерных установок.