Наука

Newswise — Чтобы быть экономичными, проекты экспериментальных термоядерных электростанций, основанные на подходе токамака, направлены на повышение эффективности за счет максимизации давления (температура, умноженная на плотность) термоядерного топлива с магнитным удержанием. Физика определяет оптимальную температуру топлива, поэтому эту переменную нельзя изменить. Вместо этого исследователи могут максимизировать давление топлива за счет увеличения плотности. Однако плотность топлива исторически была ограничена конструкцией токамака. Теперь исследователи из Национального термоядерного комплекса DIII-D впервые преодолели этот предел плотности, сохраняя при этом высокое качество изоляции. Достижение этого нового и привлекательного оперативного пространства потребовало расширения известных ограничений конкретного подхода к эксплуатации термоядерных устройств.

Влияние

В ходе этого исследования одновременно была достигнута плотность плазмы выше ключевого показателя, а также качество удержания, намного лучшее, чем обычно при стандартном оперативном подходе с высоким уровнем локализации. Совместное достижение этих условий является ключевой особенностью многих экономически жизнеспособных проектов термоядерных электростанций. Однако исторически эти условия были взаимоисключающими. Новый операционный подход также обеспечил относительно холодную и стабильную границу плазмы. Это указывает на возможное решение общей проблемы токамаков. Эта работа имеет важное значение для проектирования современных термоядерных электростанций на базе токамаков по всему миру.

Краткое содержание

Фундаментальные эксперименты, проведенные в Национальном термоядерном комплексе DIII-D, дают новое представление о пути к будущей коммерциализации термоядерной энергии, особенно для современных термоядерных электростанций на базе токамака. Десятилетия опыта показали, что плазму необходимо удерживать при высокой плотности в течение длительного периода времени, чтобы достичь мощности и эффективности, необходимых для коммерческого производства энергии. Однако предыдущие эксперименты по термоядерному синтезу не смогли одновременно достичь необходимого качества и плотности удержания.

Чтобы решить эту проблему, ученые DIII-D экспериментировали с продвинутым сценарием высокой полоидальной бета-версии. Этот режим демонстрирует самоорганизующуюся магнитную геометрию с хорошим качеством удержания, высоким давлением и самогенерируемой плазмой. В этом исследовании команда обнаружила новые заметные синергии. Увеличение градиентов плотности ядра привело к более сильному подавлению турбулентности плазмы и повышению качества удержания, что впоследствии привело к увеличению плотности. Кроме того, повышенная плотность на границе плазмы подавляла краевую нестабильность, типичную для плазмы с высоким удержанием, и снижала температуру плазмы вблизи окружающих стенок — оба эффекта чрезвычайно благоприятны для долговечности стенок термоядерной электростанции. Такое поддержание стабильного и холодного края плазмы с высокой мощностью в ядре, называемое «интеграцией края ядра», решает еще одну важную проблему для токамаков. Таким образом, одновременное достижение очень высокой плотности и качества удержания с подавлением краевой нестабильности предполагает, что этот режим является потенциальным решением для экономически привлекательных проектов термоядерных электростанций.

Финансирование

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