Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Ny teknik kunne strømline designet af indviklet fusionsenhed

PPPL -fysiker Caoxiang Zhu. Kredit:Elle Starkman / PPPL Office of Communications

Stellaratorer, snoede maskiner, der huser fusionsreaktioner, stole på komplekse magnetiske spoler, der er udfordrende at designe og bygge. Nu, en fysiker ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet en matematisk teknik til at forenkle designet af spolerne, at gøre stjernerne til en potentielt mere omkostningseffektiv facilitet til produktion af fusionsenergi.

"Vores hovedresultat er, at vi fandt på en ny metode til at identificere de uregelmæssige magnetfelter, der produceres af stjernespoler, "sagde fysikeren Caoxiang Zhu, hovedforfatter til et papir, der rapporterer resultaterne i Kernefusion . "Denne teknik kan på forhånd fortælle dig, hvilke spoleformer og placeringer, der kan skade plasmas magnetiske indeslutning, lovende en kortere byggetid og reducerede omkostninger. "

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, er sammensmeltning af lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Twisty, cruller-formede stjerne er et alternativ til donutformede tokamakker, der mere almindeligt bruges af forskere, der søger at replikere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

En vigtig fordel ved stjernerne er deres produktion af meget stabile plasmaer, der er mindre ansvarlige for de skadelige forstyrrelser, som tokamaks kan medføre. Men kompleksiteten af ​​stjernespiraler har været en faktor, der har holdt udviklingen af ​​sådanne faciliteter tilbage.

Spolerne på en stellarator skal konstrueres og arrangeres omkring vakuumkammeret meget præcist, da afvigelser fra det bedste spolearrangement skaber buler og wiggles i magnetfeltet, der nedbryder den magnetiske indeslutning og lader plasmaet slippe ud. Disse problematiske magnetfelter kan let skyldes fejlplacering af de magnetiske spoler, så ingeniører fastsætter strenge tolerancer for disse komponenter.

"Den store udfordring ved at bygge stellaratorer er at finde ud af, hvordan man gør dem enkelt og økonomisk, "sagde PPPL -chefforsker Michael Zarnstorff." Zhu's forskning er vigtig, fordi han forsøger at se mere omhyggeligt og kvantitativt på nogle af omkostningsdriverne. Hans resultater tyder på, at vi kan forenkle konstruktionen af ​​stellaratorer og derved gøre dem lettere og billigere at bygge, ved ikke at insistere på stramme tolerancer for ting, der ikke betyder noget. "

I fortiden, forskere har brugt computersimuleringer til at bestemme, hvilke spoleplaceringer der ville være bedst, kontrol af plasmas reaktioner på alle mulige magnetiske konfigurationer, før stellaratoren blev bygget. Men fordi der er mange måder, hvorpå spolerne kan variere, "denne tilgang kræver massive beregningsressourcer og arbejdstimer, "sagde Zhu." I dette papir, Vi foreslår en ny matematisk metode til hurtigt at identificere farlige spoleafvigelser, der kan forekomme under fremstilling og samling. "

Metoden er baseret på en hessisk matrix, et matematisk værktøj, der gør det muligt for forskere at bestemme, hvilke variationer af de magnetiske spoler kan få plasmaet til at ændre dets egenskaber. "Ideen er at finde ud af, hvilke forstyrrelser du virkelig skal kontrollere eller undgå, og som du kan ignorere, "Sagde Zhu.

Teamet bekræftede for nylig nøjagtigheden af ​​den nye metode ved at bruge den til at analysere spoleplaceringer for en konfiguration, der ligner Columbia Non-Neutral Torus, et lille fusionsanlæg, der drives af Columbia University. De sammenlignede resultaterne med dem, der blev frembragt ved tidligere undersøgelser, der var afhængige af konventionelle metoder, og fandt ud af, at de var enige. Teamet samarbejder nu med forskere i Kina om at bruge metoden til at optimere spoleplacering på den kinesiske første kvasi-aksymmetriske Stellarator (CFQS), i øjeblikket under opførelse.

Den nye teknik kan hjælpe forskere med at designe bedre stjernestjerner, Sagde Zhu. Det kunne muliggøre måder at identificere et optimalt spolearrangement, som ingen havde overvejet før.