Æble versus doughnut:Hvordan formen af ​​en tokamak påvirker grænserne for kanten af ​​plasmaet

Udnyttelse af energi fra plasma kræver en præcis forståelse af dens adfærd under fusion for at holde den varm, tæt og stabil. En ny teoretisk model om en plasmas kant, som kan blive ustabil og bule, bringer udsigten til kommerciel fusionskraft tættere på virkeligheden.

"Modellen forfiner tanken om at stabilisere kanten af ​​plasmaet for forskellige tokamak-former," sagde Jason Parisi, en stab-forskningsfysiker ved PPPL. Parisi er hovedforfatter til tre artikler, der beskriver modellen, som blev offentliggjort i tidsskrifterne Nuclear Fusion og Plasmas fysik . Det primære papir fokuserer på en del af plasmaet kaldet piedestal, som er placeret i kanten. Sokkelen er tilbøjelig til ustabilitet, fordi plasmaets temperatur og tryk ofte falder kraftigt over dette område.

Den nye model er bemærkelsesværdig, fordi den er den første, der matcher piedestaladfærd, som blev set i US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) National Spherical Torus Experiment (NSTX). Mens konventionelle tokamaks er formet som donuts, er NSTX en af ​​flere tokamaks, der er formet mere som et æble med kernehus. Forskellen i tokamak-proportioner påvirker plasma og, som modellen angiver, piedestalen.

Ustabilitet i ballonflyvning

Parisi undersøgte sammen med et hold videnskabsmænd grænserne for piedestaler og undersøgte, hvor meget tryk der kunne påføres plasma inde i en fusionsreaktor, før der opstod ustabilitet. De undersøgte især forstyrrelser i piedestalen kaldet ballon-ustabiliteter:buler af plasma, der stikker ud, som enden af ​​en lang ballon, når den bliver klemt.

"Modellen er en udvidelse af en model, som folk har brugt i marken i måske 10 år, men vi har gjort beregningen af ​​ballonstabilitet meget mere sofistikeret," sagde Parisi.

For at udvikle deres model så forskerne på forholdet mellem piedestalmålinger - højde og bredde - og ballon-ustabilitet. Parisi sagde, at den nye model passede i første forsøg. "Jeg var overrasket over, hvor godt det virker. Vi forsøgte at bryde modellen for at sikre, at den var nøjagtig, men den passer rigtig godt til dataene," sagde han.

Udvidelse af EPED-modellen

Den eksisterende model, kendt som EPED, var kendt for at fungere for doughnut-formede tokamaks, men ikke for den sfæriske variant. "Vi besluttede at give det en chance, og bare ved at ændre en del af EPED, nu fungerer det rigtig godt," sagde Parisi. Resultaterne giver også forskerne et klarere billede af kontrasten mellem de to tokamak-designs.

"Der er bestemt en stor forskel mellem stabilitetsgrænsen for æbleformen og den standardformede tokamak, og vores model kan nu til en vis grad forklare, hvorfor den forskel eksisterer," sagde han. Resultaterne kunne hjælpe med at minimere plasmaforstyrrelser.

Tokamaks er designet til at intensivere trykket og temperaturen i plasma, men ustabilitet kan modarbejde disse anstrengelser. Hvis plasma buler ud og rører væggene i reaktoren, for eksempel, kan det erodere væggene over tid.

Ustabiliteter kan også udstråle energi væk fra plasmaet. At vide, hvor stejl en piedestal kan være, før der opstår ustabilitet, kunne hjælpe forskere med at finde måder at optimere plasmaer til fusionsreaktioner på baseret på tokamak-proportionerne.

Selvom han tilføjede, at det endnu ikke er klart, hvilken form der er mere fordelagtig, foreslår modellen andre eksperimenter, der ville forsøge at udnytte de positive aspekter af æbleformen og se, hvor meget fordel de kunne give.

Grundlæggende forbedrer den nye model vores forståelse af piedestaler og bringer videnskabsfolk tættere på at nå det større mål om at designe en fusionsreaktor, der genererer mere strøm, end den forbruger.

Plasmaform og piedestalmål

Parisis andet papir i serien udforsker, hvor godt EPED-modellen flugter med højden og bredden af ​​piedestalen for forskellige plasmaformer.

"Dit kernefusionstryk, og derfor din kraft, er så følsomme over for, hvor høj din piedestal er. Og så, hvis vi skulle udforske forskellige former for fremtidige fusionsenheder, vil vi bestemt sikre os, at vores forudsigelser virker," sagde han .

Parisi startede med gamle data fra eksperimentelle udledninger i NSTX og modificerede derefter plasmaets kantform. Han fandt ud af, at ændring af formen havde en meget stor effekt på forholdet mellem bredde og højde af piedestal. Derudover fandt Parisi ud af, at nogle former kunne føre til flere mulige piedestaler - især i tokamaks formet som NSTX og dens efterkommer, som i øjeblikket er ved at blive opgraderet, NSTX-U. Dette ville give dem, der kører et fusionsskud, et valg mellem for eksempel en stejl eller lavvandet piedestal.

"Da folk kom op med disse piedestalmodeller, forsøgte de at forudsige piedestalbredden og -højden, fordi det kan ændre mængden af ​​fusionskraft genereret af meget, og vi vil gerne være nøjagtige," sagde Parisi. "Men den måde, modeller er konstrueret på i øjeblikket, tager de kun højde for plasmastabilitet."

Opvarmning, brændstofpåfyldning og piedestaler

Opvarmning og brændstof er andre vigtige faktorer og dem, som Parisis tredje artikel udforsker. Specifikt kiggede Parisi på visse piedestaler og bestemte mængden af ​​opvarmning og brændstof, der kræves for at opnå det givet en bestemt plasmaform. En stejl piedestal kræver typisk langt mere opvarmning end for eksempel en lavvandet piedestal.

Artiklen overvejer også, hvordan en forskydningsstrøm, som opstår, når tilstødende partikler bevæger sig ved forskellige strømningshastigheder, kan påvirke piedestalens højde og bredde. Tidligere eksperimenter i NSTX viste, at når en del af det indre af beholderen var belagt med lithium, og strømningsforskydningen var stærk, blev piedestalen tre til fire gange bredere, end når der ikke blev tilsat lithium.

"Det ser ud til at være i stand til at tillade piedestalen at fortsætte med at vokse," sagde Parisi. "Hvis du kunne have et plasma i en tokamak, der helt var piedestal, og hvis gradienterne var virkelig stejle, ville du få et rigtig højt kernetryk og en rigtig høj fusionskraft."

At forstå de variabler, der er involveret i at komme til et stabilt plasma med høj effekt, bringer forskere tættere på deres ultimative mål om at kommercialisere fusionskraft.

"Disse tre artikler er virkelig vigtige for at forstå fysikken i sfæriske tokamaks, og hvordan plasmatrykket organiseres i denne struktur, hvor det øges kraftigt ved kanten og opretholder højt tryk i kernen. Hvis vi ikke forstår den proces, kan vi" t selvsikkert projekt til fremtidige enheder, og dette arbejde går langt hen imod at opnå den tillid," sagde vicedirektør for forskning for NSTX-U og medforfatter af avisen Jack Berkery.