Naukowcy dokładniej rozumieją proces, który powoduje straty ciepła w urządzeniach termojądrowych

Anonim

Wszyscy wiedzą, że gra w bilard polega na kulowaniu się piłki po bokach stołu bilardowego - ale niewiele osób może wiedzieć, że ta sama zasada odnosi się do reakcji syntezy jądrowej. Jak naładowane cząstki, takie jak elektrony i jądra atomowe tworzące plazmę, oddziałują ze ścianami urządzeń w kształcie pierścienia, znanych jako tokamaki, pomagają określić, jak skutecznie przebiegają reakcje syntezy jądrowej. W szczególności, w zjawisku znanym jako wtórna emisja elektronów (SEE), elektrony uderzają o powierzchnię ściany, powodując emisję innych elektronów. Te elektrony wtórne chłodzą krawędź plazmy i tłumią ogólną wydajność plazmy.

Naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (PPPL) Departamentu Energii USA (PPE) badali SEE od dziesięcioleci, aw minionym roku poczynili ważne postępy, które pogłębiły ich zrozumienie. Niedawno dwie z fizyków - Marlene Patino, absolwentka Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i Angela Capece, profesor College of New Jersey - skoncentrowały swoje wysiłki na badaniu, w jaki sposób na SEE wpływają różne materiały ścienne. i struktury.

Zrozumienie SEE jest kluczowe, ponieważ zachowanie się elektronów wtórnych może wpłynąć na wydajność przyszłych maszyn fusion. "Kiedy straty ciepła stają się duże, maszyna do syntezy jądrowej jest mniej zdolna do wytwarzania energii" - powiedział Capece.

W swoich badaniach SEE, Capece badał, w jaki sposób elektrony oddziałują z litem, materiałem ściennym, który może poprawić zdolność tokamaków do ograniczenia plazmy. Inni naukowcy zainteresowani litu stworzyli modele komputerowe symulujące oddziaływanie litu z elektronami z plazmy, ale modele te nie uwzględniają łatwości wiązania litu z innymi pierwiastkami śladowymi w osoczu, np. Tlenu, w celu tworzenia nowych cząsteczek, takich jak tlenek litu.. Te nowe molekuły oddziałują z elektronami inaczej niż byłby czysty lit.

W szczególności, gdy elektrony uderzają w tlenek litu na ścianie tokamaka, wiele więcej elektronów wtórnych jest uwalnianych do plazmy niż w przypadku materiałów nie zawierających litowych, takich jak wolfram i węgiel. Jeśli tokamak ma podszewkę wykonaną z grafitu, jeden elektron uderzający w nią z określoną ilością energii może wytworzyć jeden elektron wtórny. Z drugiej strony, jeśli elektron z tą samą energią uderzy w podszewkę wykonaną z tlenku litu, może powstać od jednego do trzech elektronów wtórnych.

Ta rozbieżność ma kluczowe znaczenie. "Uwzględniając SEE w modelach urządzeń termojądrowych, ważne jest, aby uwzględnić reaktywność litu i aby utworzył on tlenek litu w środowisku tokamaku" - powiedział Capece.

Ostatecznie Capece odkrył, że na ogół łatwiej jest elektronowi uwolnić elektron wtórny, gdy wzrasta zawartość tlenu w wyściółce litu. Jej badania dokładnie określiły, w jaki sposób ilość tlenu związanego z litem w ścianie zmienia ilość elektronów wtórnych, które mogą dostać się do plazmy. Podczas gdy zwiększona wydajność SEE może spowodować utratę ciepła, wiele zmiennych na brzegu plazmy może zmodyfikować wpływ.

Patino studiował SEE z innej perspektywy. Badała małe struktury, znane jako "fuzz", które formują się na okładzinach wolframowych, kiedy zostały zbombardowane przez jądra helu. Zauważyła, że ​​w porównaniu do gładkiego wolframu, wolfram z kloszem może zmniejszyć SEE o 40 procent do 60 procent. Odkrycia te były znaczące, ponieważ badania prowadzone w przeszłości przez badaczy obejmowały wytworzone mikrostruktury, podczas gdy w tym badaniu guzek wolframu rósł sam. Co więcej, w przeciwieństwie do wytworzonych struktur, redukcja SEE nie zależy od kąta, pod którym elektrony zbliżają się do ściany, zarówno dlatego, że elektrony wtórne są uwięzione przez fuzz, a włókna w fuzz są rozmieszczone losowo. "Ten brak zależności od kąta padania jest ważny dla ścian w urządzeniach plazmowych, ponieważ elektrony uderzają w ściany pod dużymi kątami ukośnymi" - powiedział Patino.

Jej praca została opublikowana w listopadowym wydaniu Applied Physics Letters. Capece's został opublikowany w numerze z lipca 2016 r. W tym samym czasopiśmie. Ich badania zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe DOE (Fusion Energy Sciences). Prace Patino otrzymały również dofinansowanie z Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych (AFOSR).

Po raz pierwszy SEE zwróciło uwagę naukowców PPPL zarówno poprzez eksperymenty, jak i teoretyczne badania silników plazmy, urządzeń, które pewnego dnia mogą napędzać pojazdy kosmiczne do odległych obiektów kosmicznych. "Naukowcy PPPL wpadli na pomysł wykorzystania materiałów o architekturze powierzchniowej, takich jak aksamit węglowy, aby stłumić SEE, a tym samym poprawić wydajność i długowieczność silników plazmowych" - powiedział Jewgienij Raitses, główny fizyk w PPPL i główny badacz na obu modelach Patino. i projekty Capece.

menu
menu