Oppdaget: Optimale magnetfelter for å undertrykke ustabilitet i tokamaks

Anonim

Fusion, kraften som driver solen og stjernene, gir massive mengder energi. Forskere her på jorden forsøker å replikere denne prosessen, som fusjonerer lyselementer i form av varmt, ladet plasma sammensatt av frie elektroner og atomkjerner, for å skape en nesten uuttømmelig strømforsyning for å generere elektrisitet i det som kan kalles "stjerne i på gløtt."

Et puslespill for lang tid i arbeidet med å fange fusjonen på jorden, er hvordan å redusere eller eliminere en vanlig ustabilitet som oppstår i plasmaet kalt lokaliserte moduser (ELM). På samme måte som solen frigjør enorme energisprengninger i form av solstråler, kan flammerlignende utbrudd av ELMs smelte inn i vegger av doughnutformede tokamaks som huser fusjonsreaksjoner, som kan skade reaktorens vegger.

Ripples kontroller nye utbrudd

For å kontrollere disse utbruddene forstyrrer forskerne plasmaet med små magnetiske krusninger som kalles resonansmagnetiske forstyrrelser (RMPs) som forvrenger den glatte, dunneformen av det plasma-frigjørende overtrykk som reduserer eller forhindrer ELM-forekomster. Den vanskelige delen produserer akkurat den rette mengden av denne 3-D-forvrengningen for å eliminere ELMene uten å utløse andre ustabiliteter og frigjøre for mye energi som i verste fall kan føre til en stor forstyrrelse som avsluttes plasmaet.

Å gjøre oppgaven svært vanskelig er at et nesten ubegrenset antall magnetiske forvrengninger kan påføres plasmaet, noe som fører til å finne akkurat den riktige forvrengningen som en ekstraordinær utfordring. Men ikke lenger.

Fysikist Jong-Kyu Park i det amerikanske departementet for energi (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), som har jobbet med et team av samarbeidspartnere fra USA og NFRI i Korea, har vellykket forutsatt hele settet av fordelaktige 3-D forvrengninger for å kontrollere ELM uten å skape flere problemer. Forskere validerte disse spådommene på den koreanske superledende Tokamak Advanced Research (KSTAR) -fasiliteten, en av verdens mest avanserte superledende tokamaks, lokalisert i Daejeon, Sør-Korea.

KSTAR ideell for tester

KSTAR var ideell for å teste spådommene på grunn av sin avanserte magnetkontroll for å generere presise forvrengninger i den nesten perfekte, dunneformede symmetrien av plasmaet. Å identifisere de mest fordelaktige forvrengningene, som utgjør mindre enn en prosent av alle mulige forvrengninger som kan produseres inne i KSTAR, ville ha vært nesten umulig uten den prediktive modellen utviklet av forskergruppen.

Resultatet var en presedensinnstilling. "Vi viser for første gang det fulle 3-D-feltoperasjonsvinduet i en tokamak for å undertrykke ELM-er uten å røre opp kjerneinstabiliteter eller overdreven nedverdigende inneslutning, " sa Park, som er skrevet med 14 medforfattere fra USA og Sør-Korea- er publisert i Nature Physics. "I lang tid trodde vi det var for beregningsmessig vanskelig å identifisere alle fordelaktige symmetribrytende felt, men vårt arbeid viser nå en enkel prosedyre for å identifisere settet med alle slike konfigurasjoner."

Forskere reduserte kompleksiteten av beregningene da de skjønte at antall måter plasmaet kan forvride er faktisk langt færre enn rekkevidden av mulige 3-D-felt som kan påføres plasmaet. Ved å arbeide bakover, fra forvrengninger til 3-D-felter, beregnet forfatterne de mest effektive feltene for å eliminere ELM. KSTAR-eksperimentene bekreftet spådommene med bemerkelsesverdig nøyaktighet.

Resultater gir ny selvtillit

Funnene på KSTAR gir ny tillit til muligheten til å forutsi optimale 3-D-felt for ITER, den internasjonale tokamak som er under konstruksjon i Frankrike, som planlegger å benytte spesielle magneter til å produsere 3-D forvrengninger for å kontrollere ELM. Slike kontroller vil være avgjørende for ITER, hvis mål er å produsere 10 ganger mer energi enn det vil ta for å varme plasmaet. Sagt forfattere av papiret, "metoden og prinsippet vedtatt i denne studien kan vesentlig forbedre effektiviteten og troigheten til den kompliserte 3-D optimaliseringsprosessen i tokamaks."

menu
menu