Odkryte: Optymalne pola magnetyczne do tłumienia niestabilności w tokamakach

Anonim

Fuzja, moc, która napędza słońce i gwiazdy, wytwarza ogromne ilości energii. Naukowcy na Ziemi starają się odtworzyć ten proces, który łączy w sobie elementy świetlne w postaci gorącej, naładowanej plazmy złożonej z wolnych elektronów i jąder atomowych, tworząc praktycznie niewyczerpany zapas mocy do wytwarzania energii elektrycznej w tak zwanej "gwieździe słoik. "

Długotrwałe łamigłówki, mające na celu uchwycenie mocy syntezy jądrowej na Ziemi, polegają na zmniejszeniu lub wyeliminowaniu powszechnej niestabilności, która występuje w plazmie zwanej trybami zlokalizowanymi krawędziowo (ELM). Tak jak słońce wyzwala ogromne impulsy energii w postaci rozbłysków słonecznych, tak wybuchowe wybuchy ELM mogą uderzać w ściany tokamaków w kształcie pączków, które zawierają reakcje syntezy jądrowej, potencjalnie uszkadzając ściany reaktora.

Ripples kontrolują nowe eksplozje

Aby kontrolować te wybuchy, naukowcy zaburzają plazmę małymi drobinkami magnetycznymi zwanymi rezonansowymi zakłóceniami magnetycznymi (RMP), które zniekształcają gładki, pączkowaty kształt nadciśnieniowego uwalniania plazmy, który zmniejsza lub zapobiega wystąpieniu ELM. Najtrudniejszą częścią jest wytwarzanie odpowiedniej ilości tego trójwymiarowego zniekształcenia w celu wyeliminowania ELM bez wywoływania innych niestabilności i uwalniania zbyt dużej ilości energii, która w najgorszym przypadku może prowadzić do poważnych zakłóceń, które kończą plazmę.

Wykonywanie zadania wyjątkowo trudnego polega na tym, że praktycznie praktycznie nieograniczoną liczbę zniekształceń magnetycznych można zastosować do plazmy, co powoduje, że precyzyjne wykrycie właściwego zniekształcenia jest niezwykłym wyzwaniem. Ale już nie.

Fizyk Park Jong-Kyu z Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton (PPPL) Departamentu Energii USA (PPPL), współpracujący z zespołem współpracowników ze Stanów Zjednoczonych i Narodowego Instytutu Badań Fizycznych (NFRI) w Korei, z powodzeniem przewidział cały zestaw korzystnych zniekształceń trójwymiarowych do kontrolowania ELM bez stwarzania dodatkowych problemów. Naukowcy potwierdzili te przewidywania w ośrodku koreańskiego nadprzewodnictwa Tokamak Advanced Research (KSTAR), jednym z najbardziej zaawansowanych tokamaków nadprzewodzących na świecie, zlokalizowanym w Daejeon w Korei Południowej.

KSTAR idealny do testów

KSTAR był idealny do testowania prognoz ze względu na zaawansowane sterowanie magnetyczne do generowania precyzyjnych zniekształceń w niemal idealnej symetrii plazmy w kształcie pączka. Identyfikacja najkorzystniejszych zniekształceń, które wynoszą mniej niż jeden procent wszystkich możliwych zniekształceń, jakie można uzyskać w KSTAR, byłaby praktycznie niemożliwa bez modelu predykcyjnego opracowanego przez zespół badawczy.

Rezultatem było osiągnięcie precedensu. "Po raz pierwszy pokazujemy pełne pole operacyjne 3-D w tokamaku, aby tłumić ELM bez mieszania się niestabilności rdzenia lub nadmiernego pogarszania warunków" - powiedział Park, który napisał na piśmie 14 współautorów ze Stanów Zjednoczonych i Korei Południowej. został opublikowany w Nature Physics. "Przez długi czas myśleliśmy, że byłoby zbyt trudnym obliczeniowo zidentyfikowanie wszystkich korzystnych pól przełamujących symetrię, ale nasza praca demonstruje teraz prostą procedurę identyfikacji zestawu wszystkich takich konfiguracji."

Naukowcy zmniejszyli złożoność obliczeń, gdy zdali sobie sprawę, że liczba sposobów, w jakie plazma może ulec zniekształceniu, jest w rzeczywistości o wiele mniejsza niż zakres możliwych pól 3-D, które można zastosować do plazmy. Pracując wstecz, od zniekształceń do pól 3D, autorzy obliczyli najbardziej skuteczne pola do eliminowania ELM. Eksperymenty KSTAR potwierdziły przewidywania z niezwykłą dokładnością.

Wyniki dają nową pewność

Ustalenia dotyczące KSTAR dają nowe zaufanie do możliwości przewidywania optymalnych pól 3D dla ITER, międzynarodowego tokamaka w budowie we Francji, który planuje użyć specjalnych magnesów do produkcji 3-D zniekształceń do sterowania ELM. Taka kontrola będzie miała kluczowe znaczenie dla ITER, którego celem jest wyprodukowanie 10 razy więcej energii niż potrzeba do ogrzania plazmy. Wspomniani autorzy artykułu "metoda i zasada przyjęta w tym badaniu mogą znacznie poprawić wydajność i wierność skomplikowanego procesu optymalizacji 3D w tokamakach".

menu
menu