Forskere bringer fusionsenergien, der lyser solen og stjernerne tættere på virkeligheden på Jorden

Fysikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har foreslået kilden til det pludselige og forvirrende sammenbrud af varme, der går forud for forstyrrelser, der kan beskadige doughnut-formede tokamak-fusionsfaciliteter. At klare kilden kan overvinde en af ​​de mest kritiske udfordringer, som fremtidige fusionsanlæg vil stå over for og bringe produktionen på Jorden af ​​den fusionsenergi, der driver solen og stjernerne, tættere på virkeligheden.

Forskere sporede kollapset til 3D-forstyrrelsen af ​​de stærke magnetiske felter, der opsamler den varme, ladede plasmagas, der driver reaktionerne. "Vi foreslog en ny måde at forstå de [uordnede] feltlinjer, som normalt blev ignoreret eller dårligt modelleret i de tidligere undersøgelser," sagde Min-Gu Yoo, en post-doc forsker ved PPPL og hovedforfatter af en fysik af plasma papir udvalgt som redaktørens valg sammen med en figur placeret på forsiden af ​​julinummeret. Yoo er siden blevet stabsforsker ved General Atomics i San Diego.

De stærke magnetfelter erstatter i fusionsfaciliteter den enorme tyngdekraft, der holder fusionsreaktioner på plads i himmellegemer. Men når de forstyrres af plasmaustabilitet i laboratorieeksperimenter, tillader feltlinjerne den supervarme plasmavarme hurtigt at undslippe indespærring. En sådan million-graders varme knuser plasmapartikler sammen for at frigive fusionsenergi og kan ramme og beskadige fusionsanlæggets vægge, når de frigives fra indespærring.

"I tilfældet med store forstyrrelser bliver feltlinjer totalt [uordnede] som spaghetti og forbinder hurtigt til væggen med meget forskellige længder," sagde forskningsfysiker Weixing Wang, Yoos PPPL-rådgiver og medforfatter til papiret. "Det bringer enorm plasma termisk energi mod væggen."

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - den varme, ladede tilstand af stof bestående af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Plasma indeholder frie elektroner og atomkerner eller ioner og udgør 99% af det synlige univers. Forskere over hele verden søger at fange og kontrollere fusionsprocessen på Jorden for at skabe en ren, kulstoffri og praktisk talt uudtømmelig strømkilde til at generere elektricitet.

Bakker og dale

Hvad der ikke tidligere havde været kendt var 3D-formen eller topologien af ​​de uordnede feltlinjer forårsaget af turbulent ustabilitet. Topologien danner små bakker og dale, forklarer Yoo, og efterlader nogle partikler fanget i dale og ude af stand til at undslippe indespærring, mens andre ruller ned ad bakkerne og rammer anlæggets vægge

"Eksistensen af ​​disse bakker er ansvarlig for det hurtige temperaturkollaps, den såkaldte termiske quench, da de tillader flere partikler at undslippe til tokamak-væggen," sagde Yoo. "Det, vi viste i papiret, er, hvordan man tegner et godt kort til at forstå topologien af ​​feltlinjerne. Uden magnetiske bakker ville de fleste elektroner være blevet fanget og ikke kunne producere den termiske slukning observeret i eksperimenter."

PPPL-forskere simulerede den termiske slukningstopologi som en kompleks 3D-struktur snarere end en simpel 1D-struktur, som den var blevet afbilledet. Derved undgik forskerne almindelige oversimplifikationer, der kunne vildlede fysikken.

Det, der gjorde topologien svær at forstå, var den komplekse interaktion mellem de elektriske og magnetiske felter inde i anlægget, sagde Yoo. PPPL-forskere afslørede interaktionen ved hjælp af laboratoriets GTS-kode, som simulerer effekten af ​​turbulent ustabilitet på partikelbevægelse. Koden afslørede, at det elektriske felt, der produceres i faciliteter, virker til at sparke partikler blandt spaghetti-lignende stokastiske magnetfeltlinjer og derefter letter bevægelsen af ​​fangede partikler langs feltlinjerne, der giver anledning til den termiske slukning.

"Denne forskning giver ny fysisk indsigt i, hvordan plasmaet mister sin energi mod væggen, når der er åbne magnetfeltlinjer," sagde Yoo. "Den nye forståelse ville være nyttig til at finde innovative måder at afbøde eller undgå termiske quenches og plasmaforstyrrelser i fremtiden." + Udforsk yderligere

Opgraderet kode afslører en kilde til skadelige fusionsforstyrrelser