Nye simuleringer bekræfter effektiviteten af ​​affaldsfjernelsesprocessen i plasmaenheden

Ligesom ild producerer aske, Kombinationen af ​​lette elementer i fusionsreaktioner kan producere materiale, der til sidst forstyrrer de samme reaktioner. Nu, forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet beviser, der tyder på, at en proces kan fjerne det uønskede materiale og gøre fusionsprocesserne mere effektive inden for en type fusionsanlæg kendt som en feltvendt konfiguration ( FRC) enhed.

Inden for alle fusionsmaskiner, elektroner og atomkerner, eller ioner, hvirvle i en slags suppe kendt som plasma. Under fusionsprocessen foreslået for en FRC, kernerne af deuterium og helium-3, hydrogen- og heliumatomer med hver en neutron, kombinere og i processen frigive store mængder energi. Fysikere undersøger i øjeblikket, hvordan man bedst fanger brændstofpartiklerne inden i magnetfelter for at maksimere antallet af fusionsreaktioner og samtidig forhindre skader på maskinens vægge fra energiske partikler, der undslipper magnetflasken. Målet for ethvert fusionsenergiforsøg er at efterligne fusionsprocessen inden for solen og stjernerne på Jorden for at producere praktisk talt grænseløs energi.

FRC-maskiner adskiller sig fra donutformede tokamakker og snoede, cruller-lignende stellaratorer, der i øjeblikket er go-to-designs til fusionsfaciliteter rundt om i verden. FRC'er begrænser plasma ved højere temperaturer end tokamaks, men kræver kun et sæt elektromagnetiske spoler formet i enkle cirkler. Ud over, i stedet for de cirkulære beholdere i tokamaks og stellaratorer, FRC'er opretter felter, der strækker sig mellem to slutpunkter, der er næsten lineære, gør en FRC-enhed med lav effekt muligvis egnet som en fusionsdrevet raketmotor til rumfartøjets fremdrift.

For nylig, imidlertid, ny forskning på PPPL har antydet, at med det rigtige design, FRC'er kunne producere stabile plasmaer. Og fordi PPPL-varianten af ​​FRC forventes at producere langt færre højenergi-neutroner end tokamaks gør, den type FRC -reaktor ville kræve mindre afskærmning for at beskytte internt og omgivende udstyr.

Forskningen begyndte for fem år siden, da bachelorstuderende Matt Chu-Cheong og Samuel Cohen, hovedforsker ved laboratoriets FRC -eksperimenter, begyndte at tænke på, hvordan askepartiklerne, der blev skabt i hypotetiske fremtidige FRC -reaktorer, kunne fjernes. Deres beregninger antydede, at de uønskede partikler langsomt ville migrere til det "afskrabningslag", der forbinder plasmaet med beholderens materialoverflader. Passerer ind og ud af denne relativt seje region, partiklerne ville miste energi og bremse, meget som rumfartøjer kan reducere hastigheden ved at dyppe ned i atmosfæren på en planet. Til sidst, partiklerne ville miste hastighed nok til at forblive i afskrabningslaget og blive ledet til et udstødningssystem, der fjernede dem fra plasmaet.

Partiklerne ville automatisk komme ind i afskrabningslaget på grund af deres høje energi. "Dette er en pæn måde at fjerne fusionsprodukter fra kernen og forhindre dem i at bygge op, " sagde Evans, en hovedforfatter af et papir i Physics of Plasmas, der grundigt undersøgte processerne.

Evans og Cohen frygtede, imidlertid, at hvis elektronerne i afskrabningslaget var for kølige, de bevæger sig muligvis ikke hurtigt nok til at fange ionerne og forårsage deres fjernelse. "Hvis elektronerne bevæger sig for langsomt, "Sagde Cohen, "de er ikke i stand til at følge med de hurtige ioner, og ionerne føler ikke meget af en trækkraft."

Evans formulerede en hypotese og udførte derefter detaljerede simuleringer på højtydende computere ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility på Lawrence Berkeley National Laboratory. Simuleringerne, der har taget højde for magnetfelterne i den hypotetiske FRC -maskine og virkningerne af de kolde elektroner, producerede data, der tyder på, at askepartikler i en FRC -reaktor ville blive fjernet fra plasmaet, dog langsommere end teorierne skabt i 1960 forudsagde. Alligevel, den forudsagte fjernelseshastighed var nok til at udtømme askeionerne og forhindre dem i at forstyrre fusionsreaktioner i fremtidige FRC -plasmaer.

Resultaterne var yderst opmuntrende. "Min hovedreaktion var lettelse over, at simuleringerne lykkedes, at vores tidligere skøn var i orden, og at vi i det mindste i disse simuleringer ikke så nogen grund til, at denne proces ikke ville fungere, " sagde Evans. "Med andre ord, indtil nu, så godt."