Forskere har yderligere forståelse for en proces, der forårsager varmetab i fusionsenheder

Alle ved, at billardspillet indebærer bolde, der plejer siderne af et poolbord - men de færreste ved måske, at det samme princip gælder for fusionsreaktioner. Hvordan ladede partikler som elektroner og atomkerner, der udgør plasma, interagerer med væggene i donutformede enheder kendt som tokamaks hjælper med at bestemme, hvor effektivt fusionsreaktioner opstår. Specifikt, i et fænomen kendt som sekundær elektronemission (SEE), elektroner rammer overfladen af ​​væggen, forårsager, at andre elektroner udsendes. Disse sekundære elektroner afkøler plasmakanten og dæmper plasmas samlede ydeevne.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har studeret SEE i årtier, og i det forløbne år har gjort vigtige fremskridt, der fremmer deres forståelse. Seneste, to af fysikerne - Marlene Patino, en kandidatstuderende ved University of California, Los Angeles, og Angela Capece, en professor ved College of New Jersey - har fokuseret deres indsats på at undersøge, hvordan SEE påvirkes af forskellige vægmaterialer og strukturer.

Forståelse af SEE er afgørende, fordi adfærden hos de sekundære elektroner kan påvirke ydelsen af ​​fremtidige fusionsmaskiner. "Når varmetabet bliver stort, fusionsmaskinen er mindre i stand til at producere strøm, "Sagde Capece.

I hendes SEE forskning, Capece studerede, hvordan elektroner interagerede med lithium, et vægmateriale, der kunne forbedre tokamaks evne til at begrænse plasma. Andre forskere, der er interesserede i lithium, har skabt computermodeller, der simulerer, hvordan lithium interagerer med elektroner fra plasmaet, men disse modeller har ikke taget højde for, hvor let lithium bindes med andre sporstoffer i plasmaet, som ilt, at danne nye molekyler som lithiumoxid. Disse nye molekyler interagerer med elektroner anderledes end rent lithium ville.

Specifikt, når elektroner rammer lithiumoxid på en tokamak -væg, mange flere sekundære elektroner frigives til plasmaet end for ikke-lithium-vægmaterialer som wolfram og kulstof. Hvis en tokamak har en foring lavet af grafit, en elektron, der rammer den med en bestemt mængde energi, kan producere en sekundær elektron. På den anden side, hvis en elektron med samme energi rammer en foring lavet af lithiumoxid, fra en til tre sekundære elektroner kan resultere.

Denne uoverensstemmelse er afgørende. "Når SEE integreres i modeller af fusionsenheder, det er vigtigt at redegøre for lithiums reaktivitet, og at det vil danne lithiumoxid i et tokamak -miljø, "Sagde Capece.

Capece fandt i sidste ende, at generelt, det bliver lettere for en elektron at frigive en sekundær elektron, når iltindholdet i lithiumforinger stiger. Hendes forskning kvantificerede nøjagtigt, hvordan mængden af ​​ilt, der er bundet til lithium i væggen, ændrer mængden af ​​sekundære elektroner, der kan komme ind i plasmaet. Selvom et øget SEE -udbytte kan øge varmetabet, mange variabler ved kanten af ​​plasmaet kan ændre virkningen.

Patino studerede SEE fra et andet perspektiv. Hun undersøgte små strukturer, kendt som "fuzz, "der dannes på wolframforinger, når de er blevet bombarderet af heliumkerner. Hun observerede, at i sammenligning med glat wolfram, wolfram med fuzz kan reducere SEE med 40 procent til 60 procent. Disse fund var signifikante, fordi tidligere forskers undersøgelser involverede fremstillede mikrostrukturer, mens wolframfuzz i denne undersøgelse voksede af sig selv. I øvrigt, i modsætning til med fremstillede strukturer, reduktionen af ​​SEE afhænger ikke af den vinkel, hvor elektronerne nærmer sig væggen, både fordi de sekundære elektroner er fanget af fuzz og fibrene i fuzz fordeles tilfældigt. "Denne mangel på afhængighed af indfaldsvinkel er vigtig for vægge i plasmamaskiner, da elektronerne vil påvirke væggene i store skrå vinkler, "Sagde Patino.

Hendes arbejde blev offentliggjort i november 2016 -udgaven af Anvendt fysik bogstaver . Capece's blev offentliggjort i juli 2016 -udgaven af ​​det samme tidsskrift. Deres forskning blev finansieret af DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences). Patinos arbejde modtog også finansiering fra Air Force Office of Scientific Research (AFOSR).

SE først tiltrukket sig opmærksomheden fra PPPL -forskere gennem både eksperimentering og teoretisk forskning i plasmatrusler, enheder, der en dag kunne drive rumfartøjer til fjerne kosmiske objekter. "PPPL-forskere kom på ideen om at bruge overfladearkitekturmaterialer såsom carbonfløjl til at undertrykke SEE og derved forbedre plasmatrusternes ydeevne og levetid, "sagde Yevgeny Raitses, en hovedforskningsfysiker ved PPPL og hovedforsker på både Patino's og Capeces projekter.