• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Redo, uppsättning, go:Forskare utvärderar ny teknik för att elda upp fusionsreaktionsbränsle

    Fysikern Kenneth Hammond. Kredit:Nick Rivera/Columbia University

    För att fånga och kontrollera på jorden fusionsreaktionerna som driver solen och stjärnorna, forskare måste först förvandla rumstemperaturgas till det heta, laddad plasma som driver reaktionerna. Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskare har genomfört en analys som bekräftar effektiviteten av en roman, icke-standardiserat sätt att starta plasma i framtida kompakta fusionsanläggningar.

    Den innovativa tekniken, känd som "transient coaxial helical injection (CHI), " eliminerar centralmagneten, eller solenoid, som lanserar plasman inuti tokamaks, de mest använda fusionsanläggningarna. Sådan eliminering skulle kunna underlätta konstant, eller steady state, fusionsreaktioner och även frigöra värdefullt utrymme i mitten av kompakta sfäriska tokamaks, vars äppelkärnade form har mindre utrymme inuti än konventionella munkformade tokamakar som är vanligare.

    Ger fördelar

    Det frigjorda utrymmet skulle kunna ge fördelar:Det skulle kunna användas för att stärka magnetfältet som begränsar plasman och därigenom förbättra dess prestanda. Eliminering av solenoiden skulle också kunna förenkla designen av kompakta tokamaks.

    Fusionsreaktioner sammansmälter lätta element i form av plasma—de heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som förekommer naturligt i hela universum – och därigenom genererar energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

    Solenoider rinner ner i mitten av en tokamak och inducerar ström i den oladdade gasen som forskare injicerar i anläggningen. Strömmen tar bort elektroner från atomerna i gasen, att förvandla det till ett laddat plasma - en process som kallas "jonisering, " eller plasmanedbrytning. Strömmen skapar också ett magnetfält som kombineras med fältet som produceras av magneter som omger tokamak för att flaska upp och kontrollera plasman, möjliggör uppvärmning för att producera fusionsreaktioner.

    Eliminera solenoiden

    Däremot den transienta CHI-processen som rapporteras i Physics of Plasmas producerar den avgörande elektriska strömmen med elektroder placerade nära botten eller toppen av tokamak, eliminerar den utrymmesätande solenoiden. "Vad vi främst fokuserade på var början av att bilda plasman, " sa fysiker Kenneth Hammond från Max Planck Institute of Plasma Physics, huvudförfattaren till artikeln som forskade om CHI som doktorand vid Columbia University vid PPPL och som går med i laboratoriet i sommar. "Detta hjälpte till att måla en mer fullständig bild av hur CHI-utsläpp fungerar."

    Transient CHI – så kallad eftersom elektroderna som producerar plasmastartströmmen körs kort snarare än kontinuerligt – utvecklades först i experiment på den lilla Helicity Injection Torus (HIT-II) vid University of Washington och det större National Spherical Torus Experiment (NSTX) vid PPPL innan dess uppgradering; processen hade också modellerats vid PPPL. Experimenten, som visade att transient CHI kunde skalas upp från mindre till större maskiner, motiverade den senaste studien, sa Roger Raman, en fysiker vid University of Washington på långtidsuppdrag till PPPL och en medförfattare till tidningen.

    Studien fann att placeringen av CHI-elektroder i de tidigare experimenten "kan uppvisa en allvarlig svaghet när de skalas upp till en reaktor, " sa Hammond. Han analyserade sedan en alternativ elektrodkonfiguration liknande den som för närvarande används i QUEST, en sfärisk tokamak i Japan. Resultaten visade att den alternativa konfigurationen skulle kunna skala upp väl i en framtida sfärisk tokamak-baserad fusionsanläggning designad vid PPPL. "De goda nyheterna från den här studien är att prognoserna för start av storskaliga enheter ser lovande ut, sa Hammond.

    Värdefull potential

    CHI-tekniken har värdefull potential, instämde Tom Brown, en huvudingenjör på PPPL som hjälpte till att utforma konceptet för den framtida sfäriska anläggningen. "Om det lyckas, CHI kan ge utrymme för interiörkomponenter som kan förbättra prestandan hos sfäriska enheter, sade Brown. Men, han lade till, "ytterligare tekniska detaljer måste utvecklas på experimentnivå som också kan fungera inom en högre nivå [demonstrations] enhet och även i ett eventuellt fusionskraftverk."

    Forskare har hittills testat CHI-skalningen i simuleringar utförda på Tokamak Simulation Code, ett datorprogram skapat av PPPL-fysikern Stephen Jardin som har modellerat plasma runt om i världen. Jardin, en medförfattare till Plasmas fysik Rapportera, arbetade med Raman för att producera simuleringen som hänvisas till i artikeln. "Även om CHI aldrig har testats på en anordning i stor reaktorskala, "Hammond sa, "vi är optimistiska att samma relationer kommer att hålla på den större storleken med starkare magnetfält."

    Framtida experiment är planerade på URANIA, en solenoidfri sfärisk tokamak vid University of Wisconsin-Madison. De nya experimenten kommer att testa uppstarten av plasma med två oberoende manövrerade transienta CHI-elektroder - en konfiguration som kan ge större flexibilitet för att optimera det lovande systemet.

    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com