Forskere foreslår en metode til at eliminere skadelige varmeudbrud i fusionsenheden

Forestil dig et fly, der kun kan klatre til en eller to højder efter at have lettet. Denne begrænsning ville svare til den situation, videnskabsmænd står over for, der søger at undgå ustabiliteter, der begrænser vejen til rengøring, sikker og rigelig fusionsenergi i doughnut-formede tokamak-faciliteter. Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og General Atomics (GA) har nu offentliggjort en banebrydende forklaring på denne tokamak-begrænsning, og hvordan den kan overvindes.

Toroidal, eller doughnut-formet, tokamaks er tilbøjelige til intense varmeudbrud og partikler, kaldet edge localized modes (ELM'er). Disse ELM'er kan beskadige reaktorvæggene og skal kontrolleres for at udvikle pålidelig fusionskraft. Heldigvis, videnskabsmænd har lært at tæmme disse ELM'er ved at anvende spiralformede magnetiske felter på overfladen af ​​plasmaet, der giver næring til fusionsreaktioner. Imidlertid, tæmningen af ​​ELM'er kræver meget specifikke forhold, der begrænser tokamak-reaktorernes operationelle fleksibilitet.

ELM undertrykkelse

Nu, forskere ved PPPL og GA har udviklet en model, der, for første gang, gengiver nøjagtigt betingelserne for ELM-undertrykkelse i DIII-D National Fusion Facility, som GA driver for DOE. Modellen forudsiger de betingelser, under hvilke ELM-undertrykkelse bør strække sig over en bredere række af driftsforhold i tokamak end tidligere antaget muligt. Arbejdet præsenterer vigtige forudsigelser for, hvordan man optimerer effektiviteten af ​​ELM-undertrykkelse i ITER, den massive internationale fusionsenhed under konstruktion i det sydlige Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionskraft.

Fusion, kraften, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99 procent af det synlige univers - for at generere enorme mængder energi. Tokamaks er de mest udbredte enheder af videnskabsmænd, der søger at kopiere fusion som en vedvarende, kulstoffri kilde til praktisk talt ubegrænset energi til at generere elektricitet.

PPPL-fysikerne Qiming Hu og Raffi Nazikian er hovedforfatterne af et papir, der beskriver modellen i Fysisk gennemgangsbreve . De bemærker, at under normale forhold kan det bølgede magnetfelt kun undertrykke ELM'er for meget præcise værdier af plasmastrømmen, der producerer de magnetiske felter, der begrænser plasmaet. Dette skaber et problem, fordi tokamak-reaktorer skal fungere over en bred vifte af plasmastrøm for at udforske og optimere de nødvendige betingelser for at generere fusionskraft.

Ændring af magnetiske krusninger

Forfatterne viser, hvordan ved at modificere strukturen af ​​de spiralformede magnetiske krusninger påført plasmaet, ELM'er bør elimineres over et bredere udvalg af plasmastrømme med forbedret generering af fusionskraft. Hu sagde, at han mener, at resultaterne kan give ITER den brede operationelle fleksibilitet, som det skal bruge for at demonstrere det praktiske ved fusionsenergi. "Denne model kan have betydelige konsekvenser for at undertrykke ELM'er i ITER, " han sagde.

Ja, "Det, vi har gjort, er præcist at forudsige, hvornår vi kan opnå ELM-undertrykkelse over bredere områder af plasmastrømmen, " sagde Nazikian, der fører tilsyn med PPPL-forskning om tokamaks. "Ved at prøve at forstå nogle mærkelige resultater, vi så på DIII-D, vi fandt ud af nøglefysikken, der styrer rækkevidden af ​​ELM-undertrykkelse, der kan opnås ved hjælp af disse spiralformede magnetfelter. Vi gik derefter tilbage og fandt ud af en metode, der kunne producere bredere operationelle vinduer med ELM-undertrykkelse mere rutinemæssigt i DIII-D og ITER."

Forbedret tokamak-drift

Resultaterne åbner døren til forbedret tokamak-drift. "Dette arbejde beskriver en vej til at udvide det operationelle rum til at kontrollere kantustabilitet i tokamaks ved at ændre strukturen af ​​krusningerne, " sagde Carlos Paz-Soldan, en GA videnskabsmand og en medforfatter af papiret. "Vi ser frem til at teste disse forudsigelser med vores opgraderede feltspoler, der er planlagt til DIII-D om et par år."

Vender vi tilbage til flyanalogien, "Hvis du kun kunne flyve i en eller to forskellige højder, rejser ville være meget begrænset, " sagde PPPL fysiker Brian Grierson, medforfatter til papiret. "At fixe begrænsningen vil gøre det muligt for flyet at flyve over en lang række højder for at optimere sin flyvevej og opfylde sin mission." På samme måde, nærværende papir opstiller en tilgang, der forudsiges at udvide fusionsreaktorernes muligheder til at fungere fri for ELM'er, der kan beskadige faciliteterne og hindre udviklingen af ​​tokamaks til fusionsenergi.