Fysikerna Caoxiang Zhu, till vänster, och Nicola Lonigro med datorgenererade bilder av magneter som används för att begränsa plasma i fusionsanläggningar som kallas stellaratorer. Kredit:Kiran Sudarsanan / PPPL Office of Communications
Att utnyttja kraften som får solen och stjärnorna att lysa kan göras lättare med kraftfulla magneter med rakare former än vad som har gjorts tidigare. Forskare kopplade till US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hittat ett sätt att skapa sådana magneter för fusionsanläggningar som kallas stellaratorer.
Sådana anläggningar har komplexa tvinnade magnetspolar, jämfört med de raka upp-och-ned-spolarna i mer allmänt använda tokamakanläggningar, och kan producera fusionsreaktioner utan risk för störningar som tokamaks möter. Denna fördel gör stellaratorer till en kandidat för att fungera som modell för nästa generations fusionspilotanläggning.
Nu, genom att lägga till sektioner till stellaratorspolarna som är relativt raka, kan forskare både minska tillverkningskostnaden och göra det lättare att installera öppningar som gör det möjligt för tekniker att reparera enhetens interiör. Båda innovationerna skulle kunna bidra till utvecklingen av ett stellaratorkraftverk, som replikerar fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet utan att producera växthusgaser eller långlivat radioaktivt avfall.
"I framtiden kommer människor att behöva byta ut komponenter i stellaratorer när de slits ut, vilket kräver stora öppningar mellan magneternas spolar", säger fysikern Caoxiang Zhu, en författare till tidningen som rapporterar resultaten i Nuclear Fusion som avslutade forskningen när han var anställd på PPPL. Han är nu anställd vid University of Science and Technology i Kina. "Men det är svårt att ha stora öppningar i stellaratorer eftersom de elektromagnetiska spolarna sick och zack och är riktigt komplexa." Men genom att använda en matematisk teknik känd som "spline-representation" kunde Zhu och de andra kollaboratörerna designa magneter med rakare sektioner än tidigare samtidigt som de skapade magnetiska fält som kan begränsa plasma. Dessa raka sektioner kan ge bra placeringar för fönster.
Uppfunnet av astrofysikern Lyman Spitzer, PPPL:s första regissör, är stellaratorer fusionsanläggningskoncept som använder kraftfulla magneter för att skapa sammanvävande magnetfält som begränsar plasma, het gas bestående av elektroner och nakna atomkärnor. Stellaratorer har fördelar jämfört med tokamaks, munkformade enheter som för närvarande är det mest populära konceptet med fusionsanläggningar över hela världen, men deras fantastiskt komplicerade magneter har gjort design och konstruktion utmanande.
Zhu och forskarna lade till spline-förmågan till Zhus FOCUS-datorkod. För att testa konceptet designade teamet magneter som kunde passa på Helically Symmetric eXperiment (HSX), en stellarator vid University of Wisconsin-Madison.
Den uppdaterade koden visade att forskare kunde skapa rakare magneter än tidigare samtidigt som de bevarade deras styrka och noggrannhet. "I princip kan man alltid göra rakare spolar, men avvägningen är att deras magnetfält kanske inte begränsar plasman lika bra som de som produceras av vridare spolar", säger Nicola Lonigro, en student vid DOE:s Science Undergraduate Laboratory Internship ( SULI)-programmet vid tidpunkten för forskningen, huvudförfattare till uppsatsen, och nu en Ph.D. kandidat vid University of York i Storbritannien. "Men vår forskning visade att du kan göra en enklare spole med rakare sektioner som ger samma magnetfältsform och styrka som konventionella."
Att skapa enklare magneter kan hjälpa utvecklingen av ett stellaratorfusionskraftverk. "På lång sikt är detta arbete ett bidrag till den större ansträngningen att försöka göra stellaratorer kommersiellt gångbara," sa Lonigro. + Utforska vidare
