Fysikere forbedrer metode til at designe fusionsforsøg

"Mål to gange, cut once "er et gammelt snedkerordsprog - en påmindelse om, at omhyggelig planlægning kan spare tid og materialer i det lange løb.

Konceptet gælder også for design af stjerner, som er komplekse kernefusionsforsøg, der skal undersøge fusions potentiale som energikilde. Stellaratorer arbejder ved at begrænse en ring af flammende varmt plasma inde i et præcist formet magnetfelt genereret af eksterne elektromagnetiske spoler. Når plasmaet når adskillige millioner grader - lige så varmt som solens indre - begynder atomkerner at smelte sammen, frigiver enorme mængder energi.

Før du drejer en enkelt bolt for at bygge en af ​​disse sjældne og dyre enheder, ingeniører laver krævende planer ved hjælp af en række algoritmer. Imidlertid, en lang række spoleformer kan alle generere det samme magnetfelt, tilføjer kompleksitetsniveauer til designprocessen. Indtil nu, få forskere har undersøgt, hvordan man vælger det bedste blandt alle potentielle spoleformer til en bestemt stellarator.

Fysikeren ved University of Maryland Matt Landreman har foretaget en vigtig revision af et af de mest almindelige softwareværktøjer, der bruges til at designe stellaratorer. Den nye metode er bedre til at afbalancere afvejninger mellem den ideelle magnetfeltform og potentielle spoleformer, resulterer i designs med mere plads mellem spolerne. Denne ekstra plads giver bedre adgang til reparationer og flere steder at installere sensorer. Landremans nye metode er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 13. februar, 2017 i bladet Kernefusion .

"I stedet for kun at optimere magnetfeltets form, denne nye metode tager hensyn til kompleksiteten af ​​spoleformerne samtidigt. Så der er lidt afvejning, "sagde Landreman, en assisterende forsker ved UMD Institute for Research in Electronics and Applied Physics (IREAP) og eneforfatter til forskningspapiret. "Det er lidt som at købe en bil. Du vil måske have den billigste bil, men du vil også have den sikreste bil. Begge funktioner kan være i modstrid med hinanden, så du skal finde en måde at mødes på i midten. "

Forskere brugte den tidligere metode, kaldet Neumann Solver for Fields Produced by External Coils (NESCOIL) og først beskrevet i 1987, at designe mange af de stjerner, der er i drift i dag - inklusive Wendelstein 7-X (W7-X). Den største stjerne, der findes, W7-X startede driften i 2015 på Max Planck Institute of Plasma Physics i Tyskland.

"De fleste designs, inklusive W7-X, startede med et specifikt formet magnetfelt for at begrænse plasmabrønden. Derefter formgav designerne spolerne for at skabe dette magnetfelt, "Landreman forklarede." Men denne metode krævede typisk en masse forsøg og fejl med spoledesignværktøjerne for at undgå, at spoler kommer for tæt på hinanden, gør dem umulige at bygge, eller efterlade for lidt plads til at få adgang til plasmakammeret til vedligeholdelse. "

Landremans nye metode, som han kalder Regularized NESCOIL - eller REGCOIL for kort - kommer uden om dette ved at tackle spoleafstandsspørgsmålet om stellaratordesign samtidig med udformningen af ​​selve magnetfeltet. Resultatet, Landreman sagde, er en faste, mere robust proces, der giver bedre spoleformer ved første forsøg.

Modelleringstest udført af Landreman tyder på, at de designs, der er produceret af REGCOIL, begrænser varmt plasma i en ønskelig form, samtidig med at minimumsafstandene mellem spolerne øges markant.

"I matematik, Vi vil kalde design af stellaratorspole for et "uheldigt problem", 'hvilket betyder, at der er mange potentielle løsninger. At finde den bedste løsning er meget afhængig af at stille problemet på den rigtige måde, "Landreman sagde." REGCOIL gør præcis det ved at forenkle spoleformer på en måde, så problemet kan løses meget effektivt. "

Udviklingen af ​​atomfusion som en levedygtig energikilde forbliver langt ude i fremtiden. Men innovationer som Landremans nye metode vil hjælpe med at sænke de omkostnings- og tidsinvesteringer, der er nødvendige for at bygge nye stellaratorer til forskning og - i sidste ende - praktisk, energigenererende applikationer.

"Dette felt er stadig på grundforskningsstadiet, og hvert nyt design er helt unikt, " sagde Landreman. "Med disse inkompatible funktioner til at balancere, der vil altid være forskellige punkter, hvor du kan beslutte at indgå et kompromis. REGCOIL -metoden giver ingeniører mulighed for at undersøge og modellere mange forskellige punkter langs dette spektrum. "

Forskningspapiret, "En forbedret nuværende potentiel metode til hurtig beregning af stellarator -spoleformer, "Matt Landreman, blev offentliggjort 13. februar, 2017 i journalen Kernefusion .