Tvärsnitt av en tokamakplasma, med cylindrisk symmetriaxel på vänster sida, som visar en potentiell lösning på avgasutmaningen för fusionskraft:(1) symmetrisk kärnplasma uppifrån och ned, definieras av magnetiska x-punkter och (2) speciellt utformade, långa benavgaskanaler för att skingra kraften via strålning, interaktion med gas och en sekundär magnetisk x-punkt i benet. Kredit:MIT
Magnetisk fusion handlar om att hantera gränssnittet mellan het plasma och vanliga material. Det starka magnetfältet i en tokamak - kärlet som används i denna fusionsmetod - är en mycket effektiv isolator; det kan sänka plasmatemperaturen med en faktor 100, från över 100 miljoner grader Celsius i mitten till "bara" 1 miljon grader vid kanten. Dock, detta är inte tillräckligt lågt. Därför, det är gränsplasmans uppgift att sänka temperaturen med ytterligare en faktor 100 innan den kommer i kontakt med väggen.
Tyvärr, detta gränsskikt tenderar att vara mycket tunt, fokusera kraften på ett litet område. Kraftverk beräknas ha avgaskraftstätheter större än 100 gånger solens yta och en faktor 10 högre än nuvarande experiment, långt över gränserna som materialytor kan hantera. Dessutom, extrema nivåer av kraftavgaser kan uppstå plötsligt, presenterar en mycket svår kontrollutmaning.
Lyckligtvis, forskare upptäcker nu att plåtavgaser med långa ben (eller avledare) kan ge den lösning som behövs för fusionskraftverk. Dessa använder smarta x-punkter:speciella platser där magnetfältstopologin kan expandera och omdirigera plasmaavgasflödet till flera kanaler.
Först, en symmetrisk kärnaplasma uppifrån och ner skapas, definieras av två primära magnetiska x-punkter. I denna konfiguration, experiment indikerar att cirka 90 procent av värmen lämnar kärnplasma på den yttre halvan av enheten längs de två yttre benen [Abstract 1]. Förlängning av längden på de yttre kanalerna och inbäddning av sekundära x-punkter i dem kommer då att förbättra effektavgashanteringen. Dessutom, denna konfiguration främjar uppbyggnad av höga gastryck i benen.
Simulering av kraftavgaser och strålning i en plasmavgaskanal med långa ben som innehåller en sekundär magnetisk x-punkt. Plasmavärmeavgaser ryms fullt ut av ett passivt stabilt strålande skikt, hålla den heta plasma från att komma i kontakt med materialväggar. När avgaserna ökar, platsen för det strålande lagret rör sig neråt benet. Den inbäddade magnetiska x-punkten fungerar som en backstop för att hantera de mest intensiva effektnivåerna. Kredit:MIT
En ny utvärdering av effekthanteringsfunktionerna för långa benavledarekonfigurationer utfördes och jämfördes med konventionella konfigurationer med hjälp av en kantplasmasimuleringskod som utvecklats vid Lawrence Livermore National Laboratory som kunde hantera magnetiska x-punkter i benet [Abstract 2]. De kombinerade effekterna av långbenig magnetisk geometri, förbättrade gas-plasma-interaktioner och närvaron av en sekundär magnetisk x-punkt visar sig öka kapaciteten för toppeffekthantering med upp till en faktor 10 jämfört med konventionella avledare-ett resultat utan motstycke.
Viktigast, den sekundära x-punkten producerar ett stabilt strålande skikt som helt rymmer plasmavärmeavgaserna, eliminerar varm plasmakontakt på materialets väggar även när plasmautblåsningseffekten varieras med en faktor 10. Detta gör kraftavgaserna enkla att styra. Eftersom makten varierar, platsen för strålningsskiktet rör sig helt enkelt uppåt eller nedåt benet efter behov för att matcha inkommande effekt (Figur 2). Det strålande lagret stannar kvar i avledarbenet och påverkar inte de primära x-punkterna, vilket skulle försämra kärnplasmaprestanda.
Dessa resultat, i kombination med andra, bidrar till att planera för nästa steg experimentella enheter som skulle testa idéer om avgasutsläpp vid reaktornivåeffektdensiteter [Abstract 3].
