Validering af modeller til næste generations fusionsfaciliteter

Flagskibsfusionsanlægget i det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kunne tjene som model for et økonomisk attraktivt næste generations fusionspilotanlæg ifølge nyere simuleringer og analyser. Pilotanlægget kan blive det næste amerikanske skridt til at høste på Jorden den fusionskraft, der driver solen og stjernerne som en sikker og ren strømkilde til at generere elektricitet.

Det amerikanske fusionssamfund har for nylig opfordret til en øjeblikkelig indsats for at designe og bygge et omkostningseffektivt pilotanlæg til at generere elektricitet i 2040'erne. Unikke funktioner i PPPL-flagskibet, National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), der i øjeblikket er under reparation, har gjort dets design til en kandidat til den rolle. "Det handler om at forsøge at fremskrive, om denne rute er gunstig for et omkostningseffektivt pilotanlæg og mere," sagde hovedfysiker Walter Guttenfelder, hovedforfatter til et papir i tidsskriftet Nuclear Fusion der beskriver de seneste resultater.

Fusion producerer enorm energi ved at kombinere lette elementer som brint i form af plasma, den varme, ladede tilstand af stof, der består af frie elektroner og atomkerner eller ioner. Plasma udgør 99 procent af det synlige univers og fremmer fusionsreaktioner, der producerer varme og lys, der skaber og opretholder liv på Jorden.

Den sfærisk formede NSTX-U producerer højtryksplasmaer, der kræves til fusionsreaktioner i en relativt kompakt og omkostningseffektiv konfiguration. Driftsmulighederne for anlægget er væsentligt forbedret i forhold til dens præ-opgraderede forgænger. "Den primære motivation for NSTX-U er at skubbe op til endnu højere kræfter, højere magnetfelter, der understøtter højtemperaturplasmaer for at se, om tidligere observerede gunstige tendenser fortsætter," sagde Guttenfelder.

Nyere teori, analyse og modellering fra NSTX-U forskerholdet forudsiger, at mange af disse tendenser bør demonstreres i nye NSTX-U eksperimenter. Forudsagte driftsforhold for NSTX-U inkluderer følgende:

Opstart af plasma

Modellering er blevet udviklet til effektivt at optimere plasmainitiering og rampe op, og den blev anvendt til at hjælpe en sfærisk tokamak-facilitet i Det Forenede Kongerige med at producere sin første plasma.

Forstå plasmakanten

Nye modeller simulerer dynamikken mellem kanten af ​​plasmaet og tokamak-væggen, der kan bestemme, om plasmaets kerne vil nå de 150 millioner graders temperaturer, der er nødvendige for at producere fusionsreaktioner.

Anvendelse af kunstig intelligens

AI maskinlæring har udviklet en hurtig vej til optimering og kontrol af plasmaforhold, der nøje matcher forudsagte testmål.

Nye teknikker

Simuleringer antyder mange nye teknikker til afskærmning af indvendige NSTX-U-komponenter fra eksplosioner af udstødningsvarme fra fusionsreaktioner. Blandt disse koncepter er brugen af ​​fordampet lithium for at reducere påvirkningen af ​​varmeflux.

Stabil ydeevne

Undersøgelser viste, at et vindue til NSTX-U-ydelse kan forblive stabilt i lyset af ustabiliteter, der kan forringe driften.

Hvad skal du undgå

Øget forståelse af betingelserne for at undgå kommer fra fremragende overensstemmelse mellem det forudsagte udvalg af ustabile plasmaer og en stor eksperimentel database.

Der er derfor gjort betydelige fremskridt med at forstå og fremskrive, hvordan NSTX-U kan fremme udviklingen af ​​fusionsenergi, Nuclear Fusion  siger papiret. "Det næste skridt," sagde Guttenfelder, "er at se, om nye eksperimenter validerer det, vi forudsiger, og at forfine forudsigelserne, hvis ikke. Disse trin tilsammen vil muliggøre mere sikre projektioner for fremtidige enheder." + Udforsk yderligere

Tager en ny tangent til at kontrollere irriterende bølger i fusionsplasmaer