Potiskanje meje plazemske gostote

???? Отличная идея для маленькой комнаты – купить фотообои расширяющие пространство! (Julij 2019).

Anonim

Raziskovalci že več desetletij preučujejo načine, kako ponoviti na Zemlji fizični proces fuzije, ki se pojavi naravno na soncu in drugih zvezah. Zaprta z lastnim močnim gravitacijskim poljem, plamen sonca je kroga spajkanja delcev, ki proizvajajo toploto in svetlobo, ki omogoča življenje na zemlji. Toda pot do ustvarjanja komercialno uspešnega fuzijskega reaktorja, ki bi svetu zagotavljala skoraj neskončen vir čiste energije, je napolnjena z izzivi.

Raziskovalci so se osredotočili na tokamak, napravo, ki segreva in omejuje turbulentno plazemsko gorivo v komoro v obliki kroga, ki je dovolj dolgo, da ustvarja fuzijo. Ker se plazma odziva na magnetna polja, se torus zavije v magnete, ki vodijo spajkanje plazemskih delcev okoli toroidne komore in stran od sten. Tokamaki so lahko te reakcije vzdrževali le s kratkimi impulzi. Da bi bili praktični vir energije, bodo morali delovati v enakomernem stanju, okoli 24 ur.

Raziskovalci na MIT-ovem plazemski znanosti in fuzijskem centru (PSFC) so zdaj pokazali, kako se mikrovalovne pečice lahko uporabijo za premagovanje ovir za operacijo tokamaka v stanju dinamičnega ravnovesja. V eksperimentih, izvedenih na MIT-ovem Alcamaru C-Modu tokamaku, preden se je končal septembra leta 2016, je raziskovalni znanstvenik Seung Gyou Baek in njegovi kolegi preučevali metodo vožnje toka za segrevanje plazme, imenovane Lower Hibrid Current Drive (LHCD). Ta tehnika ustvarja plazemski tok tako, da v mikrotalonske tokamake sproži mikrovalove, s čimer usmerja elektrone v eni smeri - predpogoj za delovanje v stanju dinamičnega ravnovesja.

Poleg tega je moč alkatnih magnetov omogočila raziskovalcem, da raziščejo LHCD z gostoto plazme, ki je dovolj visoka, da je pomembna za fuzijski reaktor. Spodbujanje rezultatov njihovih eksperimentov je bilo objavljenih v publikacijah Physical Review Letters.

Pionirski LHCD

"Konvencionalni način vodenja tokamaka uporablja centralni solenoid, ki inducira tok, " pravi Baek, ki se nanaša na magnetno tuljavo, ki napolni sredino torusa. "Toda to sama po sebi omejuje trajanje tokamakovega impulza, kar pa omejuje sposobnost, da tokamak spremeni v stabilen reaktor moči."

Baek in njegovi kolegi menijo, da je LHCD rešitev za ta problem.

Znanstveniki MIT so pionirski LHCD od sedemdesetih let prejšnjega stoletja uporabili z nizom tokamakov "Alcator", znanih po kompaktni velikosti in visokih magnetnih poljah. Na Alcator C-Modu je bilo ugotovljeno, da je LHCD učinkovit za vožnjo tokov pri nizki gostoti, pri čemer je mogoče dokazati, da se plazemski tok neprekinjeno vzdržuje. Vendar pa so raziskovalci ugotovili, da je z dviganjem gostote teh eksperimentov na višje ravni, potrebne za operacijo v stanju dinamičnega ravnovesja, izginila učinkovitost LHCD-ja za ustvarjanje plazemskega toka.

Ta padec učinkovitosti kot povečanje gostote je bil prvič preučen na Alcator C-Mod raziskovalnem znanstveniku Gregory Wallace.

"Izmeril je padec, ki je bil veliko hitrejši od pričakovanega, kar teorija ni predvidevala, " pojasnjuje Baek. "V zadnjem desetletju so ljudje poskušali to razumeti, kajti če tega problema ne rešimo, tega ne morete uporabiti v reaktorju."

Raziskovalci so morali najti način za povečanje učinkovitosti in premagovanje mejne vrednosti gostote LHCD. Iskanje odgovora bi zahtevalo natančno preučitev, kako se nižji hibridni (LH) valovi odzivajo na okolje tokamak.

Vožnja toka

Spodnji hibridni valovi poganjajo plazemski tok tako, da prenesejo njihov moment in energijo v elektrone v plazmi.

Vodja oddelka za fiziko in računalništvo PSFC, višji znanstveni raziskovalec Paul Bonoli primerja postopek s deskanjem.

"Vi ste na desk za surf in imate val, ki ga prihajajo. Če samo sedite tam, bo val nekako šel z vami, " pravi Bonoli. "Ampak, če zaženete veslanje in se približate enaki hitrosti kot val, vas val pobira in začne prenašati energijo na desko. Če vbrizgate radijske valove, kot so valovi LH, ki se premikajo s hitrostmi blizu hitrost delcev v plazmi, valovi začeli odnehati svojo energijo tem delcem. "

Temperature v današnjih tokamaksih, vključno s C-Modom, niso dovolj visoke, da zagotovijo dobre pogoje za uskladitev valov, da prenesejo svoj impulz na plazemske delce ob prvem prehodu iz antene, ki sproži valove v jedrni plazmi. Zato so raziskovalci opazili, da vbrizgana mikrovalovna pečica potuje skozi jedro plazme in zunaj, sčasoma večkrat interagira z robom, kjer se njegova moč razpusti, zlasti kadar je gostota visoka.

Raziskovanje sloja za strganje

Baek opisuje ta rob kot mejno območje zunaj glavnega jedra plazme, kjer lahko raziskovalci za nadzor plazme odvajajo ali »odrežejo« - segrevajo, delce in nečistoče skozi divertor. Ta rob ima turbulenco, ki pri večjih gostotah sodeluje z vbrizganimi mikrovalovi, jih razprši in razprši svojo energijo.

"Strgalnega sloja je zelo tanka regija. V preteklosti RF znanstveniki niso pozorni na to, " pravi Baek. "Naši poskusi so v zadnjih nekaj letih pokazali, da je lahko medsebojno delovanje za razumevanje problema resnično pomembno in s pravilno nadzorom lahko premagate težavo z omejitvami gostote."

Baek odobrava obsežne simulacije raziskovalca Wallace in PSFC Syun'ichi Shiraiwa, ki kažejo, da je sloj za strganje najverjetneje lokacijo, kjer je bila izguba moči LH.

Podrobna raziskava o robovih in strgalnem sloju, ki je bila izvedena na Alcator C-Modu v zadnjih dveh desetletjih, je dokumentirala, da dvig celotnega električnega toka v plazmi zmanjša širino strgalnega sloja in zmanjša raven turbulence tam, kar kaže, da lahko zmanjša ali odpravi škodljive učinke na mikrovalovne pečice.

Motivirani s tem so raziskovalci PSFC pripravili eksperiment LHCD, s čimer so skupni tok potisnili s 500.000 amperov na 1.400.000 amperov, kar je omogočila operacija tokamaka na visokem polju C-Moda. Ugotovili so, da se je znova pojavila učinkovitost LCHD za ustvarjanje plazemskega toka, ki je bil izgubljen pri visoki gostoti. Ker širina turbulentnega strgalnega sloja zelo ožji, preprečuje razpršitev mikrovalov, kar omogoča doseganje višjih gostot po meji gostote LHCD.

Rezultati teh poskusov nakazujejo pot do fuzijskega reaktorja v stanju dinamičnega ravnovesja. Baek meni, da zagotavljajo dodatno eksperimentalno podporo predlogom PSFC-a, da bi postavili anteno LHCD na visoko-polno (stransko) stran tokamaka blizu osrednjega elektromagnetnega polja. Raziskave kažejo, da bi ga postavitev v to mirno območje v nasprotju s turbulentnim zunanjim središčem zmanjšala interakcijo destruktivnih valov v plazemskem robu, hkrati pa zaščitila anteno in povečala njegovo učinkovitost. Glavni raziskovalni znanstvenik Steven Wukitch trenutno izvaja nove raziskave LHCD na tem področju s sodelovanjem PSFC s DIII-D tokamakom v San Diegu.

Čeprav obstoječi tokamaki z LHCD ne delujejo pri visokih gostotah C-Moda, Baek meni, da bi bilo mogoče razmerje med trenutnim pogonom in slojem za strganje preučiti na kateremkoli tokamaku.

"Upam, da bo naš recept za izboljšanje učinkovitosti LHCD raziskan na drugih napravah, in da ti rezultati spodbudijo nadaljnje raziskave k operaciji tokamaka v stanju dinamičnega ravnovesja, " pravi.

menu
menu