Parat, sæt, gå:​​Forskere vurderer ny teknik til at affyre fusionsreaktionsbrændstof

For at fange og kontrollere fusionsreaktionerne på Jorden, der driver solen og stjernerne, forskere skal først gøre stuetemperaturgas til det varme, ladet plasma, der brænder reaktionerne. Ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskere har foretaget en analyse, der bekræfter effektiviteten af ​​en roman, ikke-standard måde at starte plasma på i fremtidige kompakte fusionsfaciliteter.

Den innovative teknik, kendt som "forbigående koaksial spiralformet injektion (CHI), "eliminerer den centrale magnet, eller magnetventil, der lancerer plasmaet inde i tokamaks, de mest anvendte fusionsfaciliteter. Sådan fjernelse kan lette konstant, eller stabil tilstand, fusionsreaktioner og frigør også værdifuld plads i midten af ​​kompakte sfæriske tokamakker, hvis æbleformede æbleform har mindre plads indeni end konventionelle donutformede tokamakker, der er mere almindelige.

Giver fordele

Det frigjorte rum kan give fordele:Det kan bruges til at styrke det magnetiske felt, der begrænser plasmaet og derved forbedre dets ydeevne. Eliminering af solenoiden kan også forenkle designet af kompakte tokamaks.

Fusionsreaktioner smelter lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, der forekommer naturligt i hele universet - og derved genererer energi. Forskere søger at replikere fusion på Jorden for en næsten uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

Solenoider løber ned i midten af ​​en tokamak og fremkalder strøm i den uladede gas, som forskere injicerer i anlægget. Strømmen fjerner elektroner fra atomerne i gassen, gør det til et ladet plasma - en proces kaldet "ionisering, "eller plasma nedbrydning. Strømmen skaber også et magnetfelt, der kombineres med det felt, der produceres af magneter, der omgiver tokamak for at flaske op og styre plasmaet, muliggør opvarmning af opvarmning til at producere fusionsreaktioner.

Eliminering af solenoiden

Derimod, den forbigående CHI -proces rapporteret i Physics of Plasmas producerer den afgørende elektriske strøm med elektroder placeret nær bunden eller toppen af ​​tokamak, eliminerer den rumspisende magnetventil. "Det, vi primært fokuserede på, var begyndelsen på dannelsen af ​​plasmaet, "sagde fysiker Kenneth Hammond fra Max Planck Institute of Plasma Physics, hovedforfatteren af ​​papiret, der forskede om CHI som Columbia University -kandidatstuderende ved PPPL og slutter sig til laboratoriet til sommer. "Dette hjalp med at tegne et mere fuldstændigt billede af, hvordan CHI -udladninger fungerer."

Transient CHI-såkaldt fordi elektroderne, der producerer plasma-lanceringsstrømmen kører kort frem for kontinuerligt-blev først udviklet i eksperimenter på den lille Helicity Injection Torus (HIT-II) ved University of Washington og det større National Spherical Torus Experiment (NSTX) hos PPPL før opgraderingen; processen var også blevet modelleret på PPPL. Eksperimenterne, som viste, at forbigående CHI kunne skaleres op fra mindre til større maskiner, motiverede den seneste undersøgelse, sagde Roger Raman, en fysiker fra University of Washington om langvarig opgave til PPPL og en medforfatter af papiret.

Undersøgelsen viste, at placeringen af ​​CHI -elektroder i de tidligere eksperimenter "kunne udvise en alvorlig svaghed, når den skaleres op til en reaktor, "Sagde Hammond. Han analyserede derefter en alternativ elektrodekonfiguration, der ligner den, der i øjeblikket bruges i QUEST, en sfærisk tokamak i Japan. Resultaterne viste, at den alternative konfiguration godt kunne skaleres i en fremtidig sfærisk tokamak-baseret fusionsfacilitet designet til PPPL. "Den gode nyhed fra denne undersøgelse er, at fremskrivningerne til opstart i store enheder ser lovende ud, "Sagde Hammond.

Værdifuldt potentiale

CHI -teknikken har et værdifuldt potentiale, var enig i Tom Brown, en hovedingeniør hos PPPL, der hjalp med at designe konceptet om den fremtidige sfæriske facilitet. "Hvis det lykkes, CHI kunne give plads til indvendige komponenter, der kunne forbedre ydeevnen for sfæriske enheder, "Sagde Brown. Men han tilføjede, "yderligere tekniske detaljer skal udvikles på eksperimentelt niveau, der også kan fungere inden for en [demonstrations] enhed på højere niveau og også i et eventuelt fusionskraftværk."

Forskere har hidtil testet CHI -skalering i simuleringer udført på Tokamak Simulation Code, et edb -program skabt af PPPL -fysikeren Stephen Jardin, der har modelleret plasma rundt om i verden. Jardin, en medforfatter af Plasmas fysik rapport, arbejdede sammen med Raman for at producere den simulering, der refereres til i avisen. "Selvom CHI aldrig er blevet testet på en stor reaktorskala, "Sagde Hammond, "vi er optimistiske over, at de samme forhold vil holde på den større størrelse med stærkere magnetfelter."

Fremtidige eksperimenter er planlagt på URANIA, en solenoidfri sfærisk tokamak ved University of Wisconsin-Madison. De nye forsøg vil teste opstart af plasma med to uafhængigt betjente forbigående CHI -elektroder - en konfiguration, der kunne give større fleksibilitet til optimering af det lovende system.