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

At udnytte kraften, der får solen og stjernerne til at skinne, kunne gøres lettere af kraftfulde magneter med mere lige former, end der er blevet lavet før. Forskere med tilknytning til det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet en måde at skabe sådanne magneter til fusionsfaciliteter kendt som stellaratorer.

Sådanne faciliteter har komplekse snoede magnetspoler, sammenlignet med de lige op-og-ned-spoler i mere udbredte tokamak-anlæg, og kan producere fusionsreaktioner uden risiko for forstyrrelser, som tokamaks står over for. Denne fordel gør stjerner til en kandidat til at fungere som model for et næste generations fusionspilotanlæg.

Nu, ved at tilføje sektioner til stellarator-spolerne, der er relativt lige, kunne forskere både reducere fremstillingsomkostningerne og gøre det lettere at installere åbninger, der ville gøre det muligt for teknikere at reparere enhedens indre. Begge innovationer kunne hjælpe med udviklingen af ​​et stjernekraftværk, som replikerer fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet uden at producere drivhusgasser eller langlivet radioaktivt affald.

"I fremtiden vil folk være nødt til at udskifte komponenter i stjerner, efterhånden som de slides, hvilket kræver store åbninger mellem magneternes spoler," sagde fysiker Caoxiang Zhu, en forfatter til avisen, der rapporterer resultaterne i Nuclear Fusion som afsluttede forskningen, da han var ansat på PPPL. Han er nu ansat ved University of Science and Technology i Kina. "Men det er svært at have store åbninger i stjerner, fordi de elektromagnetiske spoler zig og zag og er virkelig komplekse." Men ved at bruge en matematisk teknik kendt som "spline-repræsentation", var Zhu og de andre samarbejdspartnere i stand til at designe magneter med mere lige sektioner end før, mens de stadig skabte magnetiske felter, der kan begrænse plasma. Disse lige sektioner kunne give gode placeringer til vinduer.

Opfundet af astrofysiker Lyman Spitzer, PPPL's ​​første direktør, er stellaratorer fusionsanlægskoncepter, der bruger kraftige magneter til at skabe sammenvævende magnetiske felter, der begrænser plasma, varm gas bestående af elektroner og nøgne atomkerner. Stellaratorer har fordele i forhold til tokamaks, doughnut-formede enheder, der i øjeblikket er det mest populære fusionsanlægskoncept på verdensplan, men deres fantastisk komplicerede magneter har gjort design og konstruktion udfordrende.

Zhu og forskerne tilføjede spline-kapaciteten til Zhus FOCUS-computerkode. For at teste konceptet designede holdet magneter, der kunne passe på Helically Symmetric eXperiment (HSX), en stjernestjerne ved University of Wisconsin-Madison.

Den opdaterede kode viste, at forskere kunne skabe mere lige magneter end før og samtidig bevare deres styrke og nøjagtighed. "I princippet kan du altid lave mere lige spoler, men afvejningen er, at deres magnetfelter måske ikke begrænser plasmaet så godt som dem, der produceres af snoede spoler," sagde Nicola Lonigro, en studerende i DOE's Science Undergraduate Laboratory Internship ( SULI) program på tidspunktet for forskningen, hovedforfatter af papiret, og nu en ph.d. kandidat ved University of York i Storbritannien. "Men vores forskning viste, at du kunne lave en enklere spole med mere lige sektioner, der giver den samme magnetiske feltform og styrke som konventionelle."

At skabe enklere magneter kan hjælpe med udviklingen af ​​et stellarator-fusionskraftværk. "På lang sigt er dette arbejde et bidrag til den større indsats, der forsøger at gøre stellaratorer kommercielt levedygtige," sagde Lonigro. + Udforsk yderligere

Gennembrud bringer en fusionsenergienhed tættere på realisering