Forskere udvikler prognoseteknik, der kan hjælpe med at fremme søgen efter fusionsenergi

At bringe solens kraft til Jorden kræver lydteori, god teknik, og lidt finesse. Processen indebærer fældefangst belastet, ultravarm gas kendt som plasma, så dens partikler kan smelte sammen og frigive enorme mængder energi. De mest udbredte faciliteter til denne proces er doughnut-formede tokamaks, der holder plasma på plads med stærke magneter, der er præcist formet og placeret. Men fejl i formningen eller placeringen af ​​disse magneter kan føre til dårlig indeslutning og tab af plasma, nedlukning af fusionsreaktioner.

Nu, en international gruppe forskere ledet af fysikere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet en teknik, der forudsiger, hvordan tokamaks kan reagere på disse uønskede magnetiske fejl. Disse prognoser kan hjælpe ingeniører med at designe fusionsfaciliteter, der effektivt skaber en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren fusionsenergi til at generere elektricitet.

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - og genererer enorme mængder energi i stjernerne. Forskere sigter mod at reproducere og kontrollere denne proces på Jorden.

Holdet formulerede en regel kendt som en skaleringslov, der hjælper med at udlede egenskaberne af fremtidige tokamaks fra nuværende enheder. Loven er hovedsageligt afledt af tre års eksperimenter på DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics driver for DOE i San Diego. Forskere trak også på en database over fejlfelteffekter, der vedligeholdes af ITERs International Tokamak Physics Activity-gruppe, som koordinerer fusionsforskning rundt om i verden.

Nu er data fra yderligere enheder med en række størrelser nødvendige for at øge tilliden til ekstrapolering af skaleringsloven for at forudsige, hvor store fejlfelter kan være, før de forstyrres i ITER, den multinationale tokamak, der bygges i Frankrig for at demonstrere levedygtigheden af ​​fusionsenergi.

Dannelse af fejlfelter

Uregelmæssigheder i udformningen eller placeringen af ​​en tokamaks magneter kan producere fejlfelter, der udløser en forstyrrelse i plasmaet, får det til pludselig at flygte fra magnetfelterne og frigive masser af energi. "Spørgsmålet er, hvor stort et fejlfelt ITER kan tolerere uden at forstyrre, " sagde Nikolas Logan, PPPL fysiker og hovedforfatter af et papir, der rapporterer resultaterne i Kernefusion . "Vi ønsker at forhindre forstyrrelser i ITER, fordi de både kan forstyrre fusionsreaktioner og beskadige væggene."

Da ITER er under opbygning, forskerne brugte en mash-up af to computerkoder til at modellere virkningerne af fejlfelter på plasmaer for tokamaks i Sydkorea, Kina, Det Forenede Kongerige, og andre lande, styrkelse af fejlene, indtil plasmaerne blev forstyrret. Forskerne håbede at finde mønstre, der giver dem mulighed for at formulere en simpel regel, der ville hjælpe med at komme med formodninger om fremtidige fejlfeltforstyrrelser i tokamaks, der bygges.

De kombinerede koder modellerede plasmaet mere præcist, end hver enkelt kode kunne gøre alene. TM1-koden udviklet af Tysklands Max Planck Institut for Plasmafysik løser ligninger, der modellerer kaotisk plasmaadfærd i cylinderformer, mens IPEC-koden (Ideal Perturbed Equilibrium Code) udviklet på PPPL modellerer plasma i en tokamak-form. "Ved at kombinere disse koder, vi var i stand til at simulere en lang række forhold, der kunne forekomme i en række forskellige enheder, inklusive ITER, " sagde PPPL fysiker Qiming Hu, en af ​​avisens forfattere. "Det er vigtigt at få nøjagtige prognoser for ITER, fordi ingen nuværende maskine har den størrelse."

"Dette arbejde udvider vores viden om virkningerne af fejlfelter i fusionsenheder, " sagde Raffi Nazikian, leder af ITER- og Tokamak-afdelingen hos PPPL. "Kombinationen af ​​numerisk og eksperimentel analyse giver et overbevisende grundlag for at vurdere vigtigheden af ​​fejlfelter i ITER og fremtidige reaktorer."

Næste skridt

Logan og Hu håber på at indsamle mere information fra tokamak-eksperimenter for at gøre skaleringsloven mere præcis, gør det muligt at forudsige plasmaydelse i både kerne- og kantregionerne af plasmaet. "Dette er ikke en alarmklokke, " sagde Logan. "Det hjælper bare fysikere og ingeniører med at vide, hvor nøje de skal overveje potentielle fejlfelter, før de sætter masser af strøm i ITER."

Samarbejdspartnere omfattede forskere fra General Atomics, Institut for Plasmafysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi, Institut for Plasmafysik ved det kinesiske videnskabsakademi, Koreas Ulsan National Institute of Science and Technology, Det Forenede Kongeriges Culham Center of Fusion Energy, Italiens Consorzio RFX, Tysklands Max Planck Institut for Plasmafysik, og Plasma Science and Fusion Center ved Massachusetts Institute of Technology.