Одной из серьезных проблем, сдерживающих термоядерную энергию, была способность удерживать частицы высокой энергии внутри термоядерных реакторов. Когда высокоэнергетические альфа-частицы вытекают из реактора, это препятствует тому, чтобы плазма стала достаточно горячей и плотной для поддержания реакции термоядерного синтеза. Чтобы предотвратить их утечку, инженеры разрабатывают сложные системы магнитного удержания, но в магнитном поле часто возникают дыры, и требуется огромное количество вычислительного времени, чтобы предсказать их местоположение и устранить их.

В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследовательская группа описывает открытие кратчайшего пути, который может помочь инженерам разрабатывать герметичные системы магнитного удержания в 10 раз быстрее, чем метод золотого стандарта, без ущерба для точности. В то время как для всех конструкций магнитного термоядерного синтеза остается еще несколько серьезных проблем, это усовершенствование решает самую большую проблему, характерную для типа термоядерного реактора, впервые предложенного в 1950-х годах, под названием стелларатор.

"Что самое захватывающее, так это то, что мы решаем проблему, которая оставалась открытой в течение почти 70 лет", - сказал Джош Берби, доцент физики в Калифорнийском университете и первый автор статьи. "Это смена парадигмы в том, как мы проектируем эти реакторы".

Стелларатор использует внешние катушки, несущие электрические токи, которые генерируют магнитные поля для удержания плазмы и частиц высокой энергии. Эту систему удержания часто описывают как "магнитную бутылку".

Существует способ определить, где находятся отверстия в магнитной бутылке, используя законы движения Ньютона, который является очень точным, но требует огромного количества вычислительного времени. Хуже того, чтобы спроектировать стелларатор, ученым, возможно, потребуется смоделировать сотни или тысячи слегка отличающихся конструкций, изменяя расположение магнитных катушек и повторяя действия для устранения отверстий - процесс, который вдобавок потребовал бы непомерно большого объема вычислений.

Итак, чтобы сэкономить время и деньги, ученые и инженеры обычно используют более простой метод аппроксимации местоположения дыр, используя подход, называемый теорией возмущений. Но этот метод гораздо менее точен, что замедлило разработку стеллараторов. Новый метод основан на теории симметрии, другом способе понимания системы.

"В настоящее время нет практического способа найти теоретический ответ на вопрос о удержании альфа-частиц без наших результатов", - сказал Берби. "Прямое применение законов Ньютона обходится слишком дорого. Методы возмущений допускают грубые ошибки. Наша теория - первая, которая обходит эти подводные камни".

Этот новый метод также может помочь решить аналогичную, но отличающуюся проблему в другой популярной конструкции реактора магнитного синтеза, называемого токамаком. В этой конструкции существует проблема с убегающими электронами - электронами высокой энергии, которые могут пробить дыру в окружающих стенках. Этот новый метод может помочь идентифицировать дыры в магнитном поле, куда могут просачиваться эти электроны.

Соавторами Берби из UT являются постдокторский исследователь Макс Рут и аспирант Иван Мальдонадо. Другими авторами являются Дэн Мессенджер, научный сотрудник докторантуры в Лос-Аламосе, и Леопольдо Карбахал, специалист по вычислительной технике и обработке данных в Type One Energy Group, компании, планирующей создавать стеллараторы для выработки электроэнергии.

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США.