Narrende fusionsbrændstof:Sådan disciplineres uregerligt plasma

Processen designet til at høste fusionsenergien på jorden, der driver solen og stjernerne, kan undertiden narres. Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics-laboratorium har udledt og demonstreret en smule håndkaldt kaldet "kvasi-symmetri", der kunne fremskynde udviklingen af ​​fusionsenergi som et sikkert, ren og praktisk talt ubegrænset strømkilde til elproduktion.

Fusionsreaktioner 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 - til at generere enorme mængder energi. Forskere rundt om i verden søger at gengive processen i donutformede fusionsfaciliteter kaldet tokamaks, der opvarmer plasmaet til millioner-graders temperaturer og begrænser det i symmetriske magnetfelter produceret af spoler for at skabe fusionsreaktioner.

Afgørende problem

Et afgørende spørgsmål for disse bestræbelser er at opretholde den hurtige rotation af det doughnutformede plasma, der hvirvler inden i en tokamak. Imidlertid, små forvrængninger af magnetfelt, eller krusninger, forårsaget af fejljustering af magnetfeltspolerne, kan bremse plasmabevægelsen, gør det mere ustabilt. Spolens fejljusteringer og resulterende feltkrusninger er små, så lille som 1 del ud af 10, 000 dele af feltet, men de kan have en betydelig indvirkning.

Opretholdelse af stabilitet i fremtidige tokamaks som ITER, den internationale facilitet, der går op i Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionsenergi, vil være afgørende for at høste energien til at generere elektricitet. En måde at minimere virkningen af ​​feltkrusninger er at tilføje yderligere magneter for at annullere, eller helbrede, effekten af ​​magnetiske feltfejl. Imidlertid, feltkrusninger kan aldrig annulleres helt, og der har ikke været nogen optimal metode til at afbøde deres virkninger indtil nu.

Den nyopdagede metode opfordrer til at narre de hvirvlende plasmapartikler ved at annullere de magnetiske feltfejl langs den vej, de bevæger sig. "En måde at bevare rotation på, samtidig med at det giver stabilitet, er at ændre formen på magnetfeltet, så partiklerne bliver narret til at tro, at de ikke bevæger sig i et kruset magnetfelt, "sagde PPPL-fysikeren Jong-Kyu Park, hovedforfatter til et papir i Fysisk gennemgangsbreve (PRL), der foreslår en løsning. "Vi er nødt til at gøre 3D-feltet inde i plasmaet kvasi-symmetrisk for at narre partiklerne til at opføre sig som om de ikke blev påvirket af felterne, "Sagde Park.

Kvasi-symmetri

Kvasi-symmetri, en form for magnetfeltsymmetri introduceret af fysikere, der studerer snoede magnetiske indeslutningssystemer kaldet stellaratorer, kan bruges til at minimere de negative effekter af 3D -felter i tokamaks. En sådan minimering kan forbedre både energiindeslutningen og stabiliteten af ​​plasmaet ved at forbedre dets rotationsflow.

"Hvis du kan ændre disse 3D -felter for at reducere partiklernes tendens til at glide væk fra, hvor de startede, så kan vi opretholde den naturlige plasmarotation og indeslutning af partikler og varme, "sagde PPPL -fysiker Raffi Nazikian, medforfatter af papiret.

Park og kolleger har demonstreret brugen af ​​kvasi-symmetri til for det meste at gøre harmløse fejlfelter i tokamaks uskadelige. Test på DIII-D National Fusion Facility at General Atomics (GA) i San Diego og den koreanske Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) facilitet i Sydkorea har vist positive resultater. Processen "giver en pålidelig vej til omfattende fejlfeltoptimering i fusionsbrændende plasmaer, "ifølge avisen.

Selvom sådanne optimeringer vil være afgørende, forskere bruger typisk magnetiske feltkrusninger til at klare andre problemer. For eksempel, på DIII-D, forskere har brugt specielle spoler til at reducere eller eliminere kantlokaliserede tilstande (ELM'er) - eksplosive varmestråler, der kan beskadige tokamaks indre.

Vigtige eksempler

Sådanne tilfælde er det vigtigste eksempel på god brug af krusninger, og de nye fund markerer et gennembrud i håndteringen af ​​de dårlige. "Jong-Kyu har taget algoritmerne til at skræddersy tokamakens besværlige tredimensionelle magnetfelter til et nyt niveau, "sagde Carlos Paz-Soldan, medforfatter af papiret som DIII-D fysiker og nu lektor ved Columbia University. "Denne ramme vil helt sikkert være grundlaget for, hvordan fremtidige kontrolstrategier for disse felter udvikles, "Sagde Paz-Soldan.

Forskere forfølger også aktivt konceptet kvasi-symmetri for at optimere designet af stellaratorfusionsfaciliteter, der i sagens natur fungerer med 3D-felter. Konceptet har vist succes med at minimere tab af varme og partikler i stellaratorer, et mangeårigt problem med de cruller-formede faciliteter, der bruger et sæt komplekse snoede spoler, der spiralformes som striber på en slikstok til at producere magnetfelter.

Stellaratorarbejdet illustrerer den vidtrækkende anvendelighed af kvasi-symmetri i fusionsforskning. Det næste trin, sagde Park, vil være at anvende konceptet på ITER, "så vi kan gøre et godt stykke arbejde med at rette fejlfelterne i den tokamak."