Forskere foreslår en løsning på et langvarigt fusionsproblem

Paradokset overraskede forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) for mere end et dusin år siden. Jo mere varme de strålede ind i en sfærisk tokamak, en magnetisk facilitet designet til at reproducere fusionsenergien, der driver solen og stjernerne, jo mindre steg den centrale temperatur.

Stort mysterium

"Normalt gælder det, at jo mere stråleeffekt du sætter ind, jo højere bliver temperaturen," sagde Stephen Jardin, leder af teori- og beregningsvidenskabsgruppen, der udførte beregningerne, og hovedforfatter til en foreslået forklaring offentliggjort i Physical Review Letters . "Så dette var et stort mysterium:Hvorfor sker dette?"

At løse mysteriet kan bidrage til bestræbelser rundt om i verden for at skabe og kontrollere fusion på Jorden for at producere en praktisk talt uudtømmelig kilde til sikker, ren og kulstoffri energi til at generere elektricitet, mens klimaændringerne bekæmpes. Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma for at frigive enorme mængder energi.

Gennem nylige computersimuleringer med høj opløsning viste Jardin og kolleger, hvad der kan få temperaturen til at forblive flad eller endda falde i midten af ​​plasmaet, der giver næring til fusionsreaktioner, selv når der udstråles mere varmekraft. En forøgelse af effekten øger også trykket i plasmaet til det punkt, hvor plasmaet bliver ustabilt, og plasmabevægelsen udjævner temperaturen, fandt de.

"Disse simuleringer forklarer sandsynligvis en eksperimentel observation lavet for over 12 år siden," sagde Jardin. "Resultaterne indikerer, at når man designer og driver sfæriske tokamak-eksperimenter, skal man sørge for, at plasmatrykket ikke overstiger visse kritiske værdier på bestemte steder i [faciliteten]," sagde han. "Og vi har nu en måde at kvantificere disse værdier gennem computersimuleringer."

Resultaterne fremhæver en vigtig hindring for forskere at undgå, når de søger at reproducere fusionsreaktioner i sfæriske tokamaks - enheder, der er formet mere som æbler med kernehus end mere udbredte doughnut-formede konventionelle tokamaks. Sfæriske enheder producerer omkostningseffektive magnetfelter og er kandidater til at blive modeller for et pilotfusionskraftværk.

Forskerne simulerede tidligere eksperimenter på National Spherical Torus Experiment (NSTX), flagskibsfusionsanlægget ved PPPL, der siden er blevet opgraderet, og hvor den forvirrende plasmaadfærd var blevet observeret. Resultaterne svarede stort set til dem, der blev fundet på NSTX-eksperimenterne.

"Gennem NSTX fik vi dataene, og gennem et DOE-program kaldet SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] udviklede vi den computerkode, vi brugte," sagde Jardin.

Fysiker og medforfatter Nate Ferraro fra PPPL sagde:"SciDAC-programmet var absolut medvirkende til at udvikle koden."

Opdaget mekanisme

Den opdagede mekanisme forårsagede forhøjet tryk på visse steder for at bryde de indlejrede magnetiske overflader op, der er dannet af de magnetiske felter, der omslutter tokamak for at begrænse plasmaet. Opløsningen udjævnede temperaturen på elektronerne inde i plasmaet og holdt derved temperaturen i midten af ​​den varme, ladede gas fra at stige til fusionsrelevante niveauer.

"Så hvad vi nu tror er, at når du øger den indsprøjtede stråleeffekt, øger du også plasmatrykket, og du kommer til et vist punkt, hvor trykket begynder at ødelægge de magnetiske overflader nær midten af ​​tokamak," sagde Jardin, " og det er derfor, temperaturen holder op med at stige."

Denne mekanisme kan være generel i sfæriske tokamaks, sagde han, og den mulige ødelæggelse af overflader skal tages i betragtning, når fremtidige sfæriske tokamaks planlægges.

Jardin planlægger at fortsætte med at undersøge processen for bedre at forstå ødelæggelsen af ​​magnetiske overflader, og hvorfor det forekommer mere sandsynligt i sfæriske end konventionelle tokamaks. Han er også blevet inviteret til at præsentere sine resultater til det årlige møde i American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) i oktober, hvor videnskabsmænd i en tidlig karriere kunne rekrutteres til at tage spørgsmålet op og uddybe detaljerne i foreslået mekanisme. + Udforsk yderligere

Avanceret computerkode kunne fremme indsatsen for at udnytte fusionsenergi