Opdagelse af uanet forhindring for stjernefusionsfaciliteter

Undersøgelse af et muligvis kritisk problem med snoede magnetiske stellaratorer, der lover kandidater til at tjene som modeller for et amerikansk fusionspilotanlæg, har afklaret den potentielle virkning af en stort set overset bekymring.

Fundet ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) demonstrerer, hvordan periodiske ændringer i styrken og formen af ​​stjernernes magnetiske felter under visse teoretiske forhold kan lette det hurtige tab af indeslutning af højenergiplasmapartikler som brænder fusionsreaktioner.

Høj energi

"Hvis du vil lave nuklear fusion, skal du have høj energi," sagde PPPL seniorfysiker Roscoe White, hovedforfatter af en Physics of Plasmas papir, som redaktører har valgt som et "scilight" eller videnskabeligt højdepunkt.

Hans papir identificerer en ny type energisk partikeltab, sagde Felix Parra Diaz, leder af teoriafdelingen ved PPPL. "Undersøgelser har hidtil fokuseret på at kontrollere andre typer af energitab, der er dominerende, og vi forsøger nu at reducere tab af energipartikler endnu mere," sagde Parra Diaz. "Det papir, som disse resultater er baseret på, identificerer en mekanisme, som vi skal inkludere, når vi designer den optimale form af stjernemagnetfelter.

"Selvom denne mekanisme er inkluderet i vores mere detaljerede analyser af stellaratorkonfigurationer blandt mange andre effekter, var den ikke blevet udpeget som et problem, der skulle løses. Vi kan ikke bruge detaljeret analyse til stellaratoroptimering på grund af dens beregningsmæssige omkostninger. Dette er grunden til Roscoes papir er vigtigt:Det identificerer problemet og foreslår en effektiv måde at evaluere og optimere stjernernes form for at undgå det. Dette giver os mulighed for at udvikle stellaratorkonfigurationer, der er endnu bedre end de eksisterende."

De mekanismer, der skaber dette problem, er det, der kaldes "resonanser", som beskriver de stier, som partikler følger, når de kredser om de magnetiske felter, der løber rundt om maskinen. Når partikler er resonans, vender de gentagne gange tilbage til det punkt, de startede fra. Sådanne returneringer tillader ustabilitet eller tilstande i den varme, ladede plasmagas til at skabe det, der kaldes øer i banen af ​​baner, hvilket tillader partiklerne og deres energi at undslippe indespærringen.

White brugte en højhastighedssoftwarekode til at søge efter ustabiliteter kaldet "Alfven-tilstande", der kan skabe øer i doughnut-formede tokamaks, som er mere udbredte eksperimentelle fusionsfaciliteter. "Så jeg tænkte:'Okay', jeg vil også se på stjernestjerner," sagde han. Og i stjerner, "der sker noget meget andet," fandt han.

Tilstande er ikke nødvendige

"Det viser sig, at i en stellarator behøver du ikke tilstande," sagde White. "I stjernebilleder, når antallet af periodiske ændringer i kredsløbet af resonante højenergipartikler matcher antallet af periodiske ændringer i magnetfeltet, kan partikeltab forekomme," sagde han. "Det er som at skubbe et barn på en gynge. Når du vil have barnet til at gynge højere og højere, hver gang gyngen kommer tilbage til dig, skubber du den igen, og det er et skub i resonans," sagde han.

For White:"Problemet indtil nu er, at folk har fokuseret på magnetfeltets form. Men højenergikredsløbspartikler driver hen over feltet, så du skal også overveje partikelbanerne."

Fremadrettet sagde han, "at se, om partikelresonanser i stjernetorer matcher magnetfeltperioden, er nødt til at indgå i designbetingelser for at finde en god reaktor." + Udforsk yderligere

Forskere designer enklere magneter til snoede faciliteter, der kan føre til steady-state fusionsdrift