Gå med strømmen:Nye resultater om flytning af elektricitet kan forbedre fusionsenheder

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet ud af, at opdatering af en matematisk model til at inkludere en fysisk egenskab kendt som resistivitet kan føre til det forbedrede design af doughnut-formede fusionsfaciliteter kendt som tokamaks.

"Resistivitet er egenskaben af ​​ethvert stof, der hæmmer strømningen af ​​elektricitet," sagde PPPL-fysiker Nathaniel Ferraro, en af ​​de samarbejdende forskere. "Det er lidt ligesom viskositeten af ​​en væske, som forhindrer ting i at bevæge sig igennem den. For eksempel vil en sten bevæge sig langsommere gennem melasse end vand og langsommere gennem vand end gennem luft."

Forskere har opdaget en ny måde, hvorpå resistivitet kan forårsage ustabilitet i plasmakanten, hvor temperaturer og tryk stiger kraftigt. Ved at inkorporere resistivitet i modeller, der forudsiger plasmas adfærd, en suppe af elektroner og atomkerner, der udgør 99 % af det synlige univers, kan forskere designe systemer til fremtidige fusionsfaciliteter, der gør plasmaet mere stabilt.

"Vi vil bruge denne viden til at finde ud af, hvordan vi udvikler en model, der giver os mulighed for at tilslutte visse plasmakarakteristika og forudsige, om plasmaet vil være stabilt, før vi rent faktisk laver et eksperiment," sagde Andreas Kleiner, en PPPL-fysiker, der var hovedforfatter af et papir, der rapporterer resultaterne i Nuclear Fusion . "Dybest set, i denne forskning, så vi, at resistivitet betyder noget, og vores modeller burde inkludere det," sagde han.

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - den varme, ladede tilstand af stof, der består af frie elektroner og atomkerner - og genererer enorme mængder energi. Forskere søger at udnytte fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Forskere ønsker, at plasmaet skal være stabilt, fordi ustabilitet kan føre til plasmaudbrud kendt som edge-localized modes (ELM'er), der kan beskadige interne komponenter i tokamak over tid, hvilket kræver, at disse komponenter udskiftes oftere. Fremtidige fusionsreaktorer skal køre uden stop for reparationer, dog i måneder ad gangen.

"Vi er nødt til at have tillid til, at plasmaet i disse fremtidige faciliteter vil være stabilt uden at skulle bygge fuldskala prototyper, hvilket er uoverkommeligt dyrt og tidskrævende," sagde Ferraro. "I tilfælde af kant-lokaliserede tilstande og nogle andre fænomener kan manglende stabilisering af plasmaet føre til beskadigelse eller reduceret komponentlevetid i disse faciliteter, så det er meget vigtigt at få det rigtigt."

Fysikere bruger en computermodel kendt som EPED til at forudsige plasmas adfærd i konventionelle tokamaks, men forudsigelserne produceret af koden for en række plasmamaskiner kendt som sfæriske tokamaks er ikke altid nøjagtige. Fysikere studerer sfæriske tokamaks, kompakte faciliteter såsom National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) ved PPPL, der ligner æbler med kernehuse, som et muligt design for et fusionspilotanlæg.

Ved at bruge de kraftige computere i National Energy Research Scientific Computing Center forsøgte en DOE Office of Science brugerfacilitet ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, Californien, Kleiner og teamet at tilføje resistivitet til en plasmamodel og fandt ud af, at forudsigelserne begyndte at matche observationer.

"Andreas undersøgte dataene fra flere tidligere plasmaudledninger og fandt ud af, at resistive effekter var meget vigtige," sagde Rajesh Maingi, leder af PPPL's ​​Tokamak Experimental Sciences Department. "The experiments showed that these effects were probably causing the ELMs we were seeing. The improved model could show us how to change the profiles of plasma in future facilities to get rid of the ELMs."

Using these types of computer models is a standard procedure that lets physicists predict what plasma will do in future fusion machines and design those machines to make the plasma behave in a way to make fusion more likely. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.

"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.

This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.

Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Udforsk yderligere

Avanceret computerkode kunne fremme indsatsen for at udnytte fusionsenergi