Fysikeren hjælper med at bekræfte et stort fremskridt i stjernernes ydeevne for fusionsenergi

Stellaratorer, snoede magnetiske enheder, der har til formål at udnytte fusionsenergien på jorden, der driver solen og stjernerne, har længe spillet anden fele til mere udbredte donutformede faciliteter kendt som tokamaks. De komplekse snoet stellarator magneter har været vanskelige at designe og har tidligere tilladt større lækage af superhøj varme fra fusionsreaktioner.

Nu er forskere ved Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), arbejder i samarbejde med forskere, der omfatter US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har vist, at Wendelstein 7-X (W7-X) enheden i Greifswald, Tyskland, den største og mest avancerede stellarator i verden, er i stand til at begrænse varme, der når dobbelt så store temperaturer som solens kerne.

Nøgleindikator

Et diagnostisk instrument kaldet XICS, hovedsageligt designet, bygget og drevet af PPPL -fysiker Novimir Pablant i samarbejde med IPP -fysiker Andreas Langenberg, er en vigtig indikator for en kraftig reduktion af en type varmetab kaldet "neoklassisk transport", der historisk set har været større i klassiske stellaratorer end i tokamaks. Årsag til den besværlige transport er hyppige kollisioner, der slår opvarmede partikler ud af deres kredsløb, når de hvirvler rundt om magnetfeltlinjerne, der begrænser dem. Bidrag til transporten er driv i partikelbanerne.

En nylig rapport om W7-X-fund i Natur magasinet bekræfter succesen med designernes bestræbelser på at forme de indviklede snoede stellaratormagneter for at reducere neoklassisk transport. Første forfatter til papiret var fysikeren Craig Beidler fra IPP Theory Division. "Det er virkelig spændende nyhed for fusion, at dette design har været vellykket, sagde Pablant, en medforfatter sammen med Langenberg af papiret. "Det viser klart, at denne form for optimering kan lade sig gøre."

David Gates, leder af Advanced Projects Department hos PPPL, der fører tilsyn med laboratoriets stellaratorarbejde, var også meget begejstret. ”Det har været meget spændende for os, hos PPPL og alle de andre amerikanske samarbejdsinstitutioner, at være en del af dette virkelig spændende eksperiment, "Sagde Gates." Novis arbejde har været i centrum for dette fantastiske eksperimentelle teams indsats. Jeg er meget taknemmelig over for vores tyske kolleger for så nådigt at muliggøre vores deltagelse. "

Kulfri strøm

Den fusion, som forskere søger at producere, kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, eller ioner, der udgør 99 procent af det synlige univers - til at generere enorme mængder energi. At producere kontrolleret fusion på Jorden ville skabe en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikre, ren, og kulstoffri strømkilde til at generere elektricitet til menneskeheden og tjene som en stor bidragyder til overgangen væk fra fossile brændstoffer.

Stellaratorer, først bygget i 1950'erne under PPPL -grundlægger Lyman Spitzer, kan fungere i en stabil tilstand med lille risiko for plasmaforstyrrelser, som tokamaks står over for. Imidlertid, deres kompleksitet og historie med relativt dårlig varmeindeslutning har holdt dem tilbage. Et vigtigt mål med det optimerede design af W7-X, som producerede sit første plasma i 2015, har været at demonstrere hensigtsmæssigheden af ​​en optimeret stellarator som et eventuelt fusionskraftværk.

Resultater opnået med XICS demonstrerer varme iontemperaturer, der ikke kunne have været opnået uden en kraftig reduktion i neoklassisk transport. Disse målinger blev også foretaget af CXRS -diagnosen bygget og drevet af IPP, som man mente var lidt mere præcis, men ikke kunne laves under alle forhold. De endelige temperaturprofiler i Natur rapporten blev taget fra CXRS og understøttet af målinger med XICS i lignende plasmaer.

'Ekstremt værdifuld'

"Uden XICS ville vi sandsynligvis ikke have opdaget dette [god indespærrings] regime, "sagde Robert Wolf, leder af W7-X varme- og driftsafdeling og en medforfatter af papiret. "Vi havde brug for en let tilgængelig iontemperaturmåling, og dette var yderst værdifuldt."

Forskere gennemførte et tankeeksperiment for at kontrollere den rolle, optimering spillede i indespærringsresultaterne. Eksperimentet fandt ud af, at i en ikke-optimeret stellarator ville stor neoklassisk transport have gjort de høje temperaturer, der blev registreret på W7-X for den givne varmeeffekt umulige. "Dette viste, at den optimerede form af W7-X reducerede den neoklassiske transport og var nødvendig for den ydeevne, der blev set i W7-X-eksperimenter, "Pablant sagde." Det var en måde at vise, hvor vigtig optimeringen var. "

Resultaterne markerer et skridt mod at gøre stjernerne baseret på W7-X-designet i stand til at føre til en praktisk fusionsreaktor, han tilføjede. "Men at reducere neoklassisk transport er ikke det eneste, du skal gøre. Der er en hel masse andre mål, der skal vises, herunder at køre konstant og reducere den turbulente transport. "Producerende turbulent transport er krusninger og hvirvler, der løber gennem plasmaet som den anden vigtigste kilde til varmetab.

W7-X genåbner i 2022 efter en treårig opgradering til installation af et vandkølesystem, der forlænger fusionsforsøg og en forbedret afledning, der vil udmatte højeffektvarme. Opgraderingerne gør det muligt for det næste trin i W7-X-forskernes undersøgelse af optimerede stjerners værdighed at blive tegninger til kraftværker.