Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаНовая магнитная эра термоядерного синтеза: раскрытие секретов эффективности токамака

Новая магнитная эра термоядерного синтеза: раскрытие секретов эффективности токамака

- Advertisement -

Инновации Национальной термоядерной установки DIII-D показали, что магнитные возмущения могут улучшить удержание плазмы в токамаках, повышая эффективность термоядерного синтеза. Этот прорыв обеспечивает новый подход к управлению плазменными нестабильностями, такими как ELM, что имеет решающее значение для разработки эффективных и безопасных термоядерных электростанций. Фото: SciTechDaily.com

Возмущение краевого магнитного поля токамака приводит к противоречивой реакции: частицы попадают в ограниченную область, а не покидают ее.

Токамак использует магнитные поля для удержания плазмы и достижения высоких температур, необходимых для проведения реакций ядерного синтеза. В некоторых плазме токамаков удержание в определенной части плазма называемый пьедесталом (краем плазмы), может образовываться большой градиент давления. Эти градиенты давления (изменения давления на расстоянии) приводят к нестабильности плазмы.

Одним из типов нестабильности, возникающим в результате экстремальных градиентов давления, является мода, локализованная на краю (ELM). ELM включает в себя выброс частиц и энергии, которые покидают плазму и ударяются о стенку токамака. Исследователи термоядерного синтеза могут предотвратить ELM посредством контролируемых изменений магнитного поля. Однако этот подход также приводит к снижению давления плазмы, функции температуры и плотности частиц, что ограничивает мощность термоядерного синтеза.

Недавние эксперименты на Национальной термоядерной установке DIII-D

В недавних экспериментах в Национальном термоядерном комплексе DIII-D исследователи выявили новый режим, в котором магнитные возмущения улучшают удержание пьедестала. Вопреки ожиданиям, это привело к увеличению плотности и улучшению характеристик термоядерного синтеза. Исследователи полагают, что улучшение удержания связано с применением магнитных возмущений, уменьшающих турбулентность плотности в пьедестале, заставляя частицы в плазме двигаться внутрь.

Применяется эволюция во времени флуктуаций электронной плотности и электронной плотности как магнитного возмущения. Через 0,5 секунды приложенного возмущения флуктуации уменьшаются, а плотность увеличивается. Авторы и права: Н. К. Логан и др., Улучшенное удержание частиц с помощью резонансных магнитных возмущений в плазме H-моды токамака DIII-D. Письма о физическом обзоре 129, 205001 (2022 г.).

Последствия для будущих термоядерных установок

Эти эксперименты и связанное с ними моделирование показывают, что магнитные возмущения могут быть применены к плазме токамака без снижения производительности термоядерного синтеза. Это важно для будущей пилотной термоядерной установки. Исследователи ожидают, что эти установки будут работать на таких уровнях мощности, при которых поток мощности, потребляемый большими ELM, может повредить устройство. Это сделает приложенные магнитные возмущения важными для этих устройств.

Недавние эксперименты показывают, что ELM можно уменьшить, не теряя при этом эффективности термоядерного синтеза, если плазма вращается в направлении, противоположном ее току. Опираясь на эту работу, при проектировании пилотной термоядерной установки будет полезно дальнейшее понимание проблемы удержания на пьедестале и разработка максимально эффективных способов использования системы магнитных возмущений.

Управление нестабильностью и повышение производительности

В условиях сильного удержания постамент токамака может создавать нестабильности, которые выбрасывают частицы в стенку устройства. Исследователи используют приложенные магнитные возмущения, чтобы возмутить пьедестал, так что эти нестабильности (ELM) либо уменьшаются по величине, либо полностью устраняются, хотя эти возмущения действительно нарушают магнитное поле токамака таким образом, что некоторые частицы выходят из-под ограничения.

Когда происходит ELM, давление на пьедестале снижается, но только до тех пор, пока высокий уровень удержания внутри плазмы не позволит давлению снова нарастать, что в конечном итоге приводит к другому событию ELM. Однако возмущение пьедестала и уменьшение ограничения отрицательно влияют на плотность плазмы и характеристики термоядерного синтеза. Таким образом, ключевым моментом было обеспечить достаточную потерю частиц, чтобы поддерживать давление в опоре ниже уровня, приводящего к ELM.

В экспериментах в Национальном термоядерном комплексе DIII-D исследователи впервые продемонстрировали применение магнитных возмущений и увеличение плотности плазмы на пьедестале. В этом новом режиме магнитные возмущения привели к улучшению удержания пьедестала. Общий поток частиц на стенку токамака, вызванный ELM, не менялся во время приложенных возмущений, а увеличение плотности плазмы соответствовало улучшению термоядерных характеристик.

Исследователи объясняют улучшение удержания приложенными магнитными возмущениями, уменьшающими турбулентность плотности в пьедестале и вызывающими внутренний поток частиц. По мере того, как эта динамика станет лучше понята, это может помочь исследователям разработать сценарий возмущенного токамака, который смягчает ELM и одновременно увеличивает производительность термоядерного синтеза.

Ссылка: «Улучшенное удержание частиц с помощью резонансных магнитных возмущений в плазме H-моды токамака DIII-D», авторы Н. К. Логан, К. Ху, К. Пас-Солдан, Р. Назикян, Т. Роудс, Т. Уилкс, С. Мунаретто, А. Бортолон, Ф. Лаггнер, Ф. Скотти, Р. Хонг и Х. Ван, 10 ноября 2022 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.205001.

Эта работа поддерживалась Управлением науки Департамента энергетики (DOE) и Управлением термоядерных энергетических наук с использованием Национальной термоядерной установки DIII-D, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме