Krydsbestøvende fysikere bruger ny teknik til at forbedre designet af faciliteter, der har til formål at høste fusionsenergi

Fysikere er som bier-de kan krydsbestøve, tage ideer fra et område og bruge dem til at udvikle gennembrud på andre områder. Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har overført en teknik fra et område af plasmafysik til en anden for at muliggøre et mere effektivt design af kraftfulde magneter til donutformede fusionsfaciliteter kendt som tokamaks. Sådanne magneter begrænser og kontrollerer plasma, den fjerde tilstand af stof, der udgør 99 procent af det synlige univers og nærer fusionsreaktioner.

Det er ikke enkelt at designe disse magneter, især når de skal være præcist formet til at skabe komplekse, tredimensionelle magnetfelter til at kontrollere plasma ustabilitet. Så det er passende, at den nye teknik kommer fra forskere, der designer stellaratorer, krullerformede fusionsanordninger, der kræver sådanne omhyggeligt konstruerede magneter. Med andre ord, PPPL -forskerne bruger en stellarator -computerkode til at forestille sig formen og styrken af ​​snoede tokamakmagneter, der kan stabilisere tokamak -plasmaer og overleve de ekstreme forhold, der forventes i en fusionsreaktor.

Denne indsigt kunne lette opførelsen af ​​tokamak -fusionsfaciliteter, der bringer solens og stjernernes kraft til Jorden. "I fortiden, det var en opdagelsesrejse, sagde Nik Logan, en fysiker ved DOE's Lawrence Livermore National Laboratory, der ledede forskningen, mens han var på PPPL. "Du var nødt til at bygge noget, test det, og brug dataene til at lære at designe det næste eksperiment. Nu kan vi bruge disse nye beregningsværktøjer til lettere at designe disse magneter, ved hjælp af principper hentet fra mange års videnskabelig forskning. "Resultaterne er blevet rapporteret i et papir publiceret i Kernefusion .

Fusion, den kraft, 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 genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til elektricitet.

Resultaterne kan hjælpe konstruktionen af ​​tokamaks ved at kompensere for upræcision, der opstår, når en maskine oversættes fra et teoretisk design til et objekt i virkeligheden, eller ved at anvende præcist kontrollerede 3D -magnetfelter til at undertrykke plasmainstabilitet. "Virkeligheden ved at bygge noget er, at det ikke er perfekt, "Sagde Logan." Det har små uregelmæssigheder. De magneter, vi designer ved hjælp af denne stellaratorteknik, kan både korrigere nogle af de uregelmæssigheder, der opstår i magnetfelterne og kontrollere ustabilitet. "Hvis du gør det, hjælper magnetfeltet med at stabilisere plasmaet, så potentielt skadelige udbrud af varme og partikler ikke forekommer.

Logan og kolleger lærte også, at disse magneter kunne virke på plasmaet, selv når de placeres i en relativt stor afstand på op til flere meter fra tokamakens vægge. "Det er gode nyheder, fordi jo tættere magneterne er på plasmaet, jo vanskeligere er det at designe dem til at opfylde de barske forhold i nærheden af ​​fusionsreaktorer, "Logan sagde." Jo mere udstyr vi kan placere i en afstand fra tokamak, des bedre."

Teknikken er afhængig af FOKUS, en computerkode, der hovedsageligt er oprettet af PPPL -fysikeren Caoxiang Zhu, en videnskabsmand til optimering af stjernerne, at designe komplicerede magneter til stjernestationer. "Da jeg først byggede FOCUS som postdoktor ved PPPL, Nik Logan kom forbi min plakatpræsentation på en American Physical Society -konference, "Senere havde vi en samtale og indså, at der var mulighed for at anvende FOCUS -koden på tokamak -projekter."

Samarbejdet mellem forskellige underfelter er spændende. "Jeg er glad for at se, at min kode kan udvides til en bredere vifte af eksperimenter, "Zhu bemærkede." Jeg synes, det er en smuk forbindelse mellem tokamak- og stellaratorverdenen. "

Selvom fusionsfaciliteten nummer to bag tokamakker var lang, Stellaratorer bliver nu mere udbredt, fordi de har tendens til at skabe stabile plasmaer. Tokamaks er i øjeblikket førstevalget til et fusionsreaktordesign, men deres plasmaer kan udvikle ustabilitet, der kan skade en reaktors interne komponenter.

I øjeblikket, PPPL -forskere bruger denne nye teknik til at designe og opdatere magneter til flere tokamaks rundt om i verden. Listen indeholder COMPASS-U, en tokamak, der drives af det tjekkiske videnskabsakademi; og Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) facilitet.

"Det er et meget praktisk papir, der har praktiske anvendelser, og helt sikkert har vi nogle takers, "Logan sagde." Jeg tror, ​​at resultaterne vil være nyttige for fremtiden for tokamak -design. "