Newswise — Некоторые считают, что будущее термоядерного синтеза в США — за компактными сферическими термоядерными сосудами. Считается, что токамак меньшего размера может предложить более экономичный вариант термоядерного синтеза. Хитрость заключается в том, чтобы втиснуть все в небольшое пространство. Новое исследование предлагает исключить один основной компонент, используемый для нагрева плазмы, освободив столь необходимое пространство.

Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, частной компании Tokamak Energy и Университета Кюсю в Японии предложили проект компактной пилотной сферической термоядерной установки, которая нагревает плазму, используя только микроволны. Обычно сферические токамаки также используют массивную катушку из медной проволоки, называемую соленоидом, расположенную недалеко от центра сосуда, для нагрева плазмы. Также часто используется инжекция нейтрального пучка, заключающаяся в подаче в плазму пучков незаряженных частиц. Но так же, как крошечную кухню легче спроектировать, если в ней меньше приборов, так и было бы проще и экономичнее сделать компактный токамак, если в нем меньше систем отопления.

Новый подход исключает омический нагрев, который является тем же нагревом, который происходит в тостере и является стандартным для токамаков. «Компактная сферическая плазма токамака выглядит как яблоко с сердцевиной и относительно небольшим ядром, поэтому нет места для омической нагревательной катушки», — сказал Масаюки Оно, главный физик-исследователь в PPPL и ведущий автор статьи, подробно описывающей процесс. новое исследование. «Если нам не придется включать омическую нагревательную спираль, мы, вероятно, сможем спроектировать машину, которую будет проще и дешевле построить».

Определение идеального угла луча и режима нагрева

Микроволны — это форма электромагнитного излучения, которое можно генерировать с помощью устройства, известного как гиротрон. Гиротроны будут располагаться снаружи токамака — образно говоря, сразу за кожурой яблока — и будут направлены к ядру. Поскольку гиротроны излучали мощные волны в плазму, они генерировали ток, перемещая отрицательно заряженные частицы, известные как электроны. Этот процесс, известный как электронно-циклотронный ток (ECCD), одновременно пропускает ток и нагревает плазму. Однако процесс нагрева не так прост, как простое включение гиротронов. Исследователям необходимо смоделировать различные сценарии и определить различные детали, например, лучший угол для наведения гиротронов, чтобы микроволны должным образом проникали в плазму.

Используя компьютерный код TORAY в сочетании с кодом TRANSP, команда просканировала углы прицеливания и увидела, что дает наибольшую эффективность. Цель состоит в том, чтобы использовать как можно меньше энергии для создания необходимого тока. «Кроме того, вы должны стараться избегать того, чтобы вся энергия, которую вы вкладываете в плазму, возвращалась обратно», — сказал Джек Беркери, соавтор статьи и заместитель директора по исследованиям Национального эксперимента по сферическому тору. Обновление (NSTX-U). Это может произойти, когда микроволны отражаются от плазмы или когда они входят в плазму, но выходят без изменения тока или температуры плазмы. «Было проведено множество сканирований различных параметров, чтобы найти лучшее решение», — сказал Беркери.

Исследовательская группа также определила, какой режим ECCD лучше всего подойдет для каждой фазы процесса нагрева. Существует два режима: обычный режим, известный как режим O, и необычный режим, известный как режим X. Исследователи считают, что режим X лучше всего подходит для повышения температуры и тока плазмы, а режим O — лучший выбор после повышения температуры, когда температуру плазмы и ток просто необходимо поддерживать.

«Режим O хорош для высокотемпературной плазмы высокой плотности. Но мы обнаружили, что эффективность режима О становится очень низкой при более низких температурах, поэтому вам нужно что-то еще, чтобы позаботиться о низкотемпературном режиме», — сказал Оно.

Учет влияния примесей

Авторы, в том числе постдокторант Каджал Шах, также исследовали, как энергия будет излучаться из плазмы. Такое излучение может быть значительным в плазме такого размера, которая необходима для коммерческого термоядерного синтеза. Луис Дельгадо-Апарисио, руководитель отдела перспективных проектов лаборатории и соавтор статьи, отмечает, что будет особенно важно минимизировать количество примесей элементов с высоким атомным номером, который также известен как Z. число в периодической таблице. Это элементы со множеством положительно заряженных частиц, известных как протоны. Чем больше протонов имеет элемент, тем выше его число Z и тем больше он может способствовать потере тепла. Вольфрам и молибден, например, имеют число Z, поэтому их использование внутри компактного сферического токамака должно быть тщательно продумано с прицелом на работу реактора таким образом, чтобы уменьшить перенос примесей в плазму.

Хотя сильные магнитные поля в основном удерживают плазму внутри токамака в определенной форме, иногда плазма может приближаться к внутренним стенкам токамака. «Когда это происходит, атомы стенок могут распыляться и проникать в плазму, охлаждая ее», — сказал Дельгадо-Апарисио. «Даже относительно небольшое количество элемента с высоким числом Z может привести к значительному снижению температуры плазмы». Поэтому особенно важно максимально избегать попадания примесей в плазму, особенно пока температура все еще растет.

Частно-государственное партнерство: будущее термоядерного синтеза

Моделирование нагрева является частью проектного проекта, известного как усовершенствованный сферический реактор токамак или STAR. Проект представляет собой стратегическую инициативу по разработке планов пилотной электростанции. Беркери заявил, что проект предоставляет исследователям PPPL возможность применить свой опыт в области физики, инженерии и работы с компьютерными кодами для моделирования термоядерного синтеза, одновременно работая в партнерстве с частными фирмами над планами термоядерных электростанций со сферической конструкцией токамака.

Владимир Шевченко, соавтор статьи и старший технический советник Tokamak Energy, заявил, что планирует провести эксперименты в конце следующего года в термоядерном реакторе компании ST40, чтобы сравнить их с результатами моделирования, представленными в статье. «У других систем отопления очень и очень серьезные проблемы», — сказал Шевченко. «Я вижу в этом будущее систем нагрева токамаков».

Шевченко считает, что проект извлекает выгоду из государственно-частного партнерства между PPPL и Tokamak Energy, одной из компаний, выбранных для участия в программе развития термоядерного синтеза Министерства энергетики. «В компании PPPL работает много опытных специалистов в разных областях, связанных с физикой плазмы и технологиями токамаков. Их вклад в моделировании и консультировании очень ценен для такой частной компании, как Tokamak Energy», — сказал он.

Среди других исследователей PPPL, участвующих в этом проекте, — Никола Бертелли, Сюничи Шираива, Джон Менард и Альваро Санчес Вильяр. Это исследование было завершено при финансовой поддержке Министерства энергетики США по номеру контракта DE-AC02-09CH11466.

PPPL осваивает искусство использования плазмы — четвертого состояния вещества — для решения некоторых из самых сложных мировых научно-технических задач. Наши исследования, расположенные в кампусе Форрестал Принстонского университета в Плейнсборо, штат Нью-Джерси, стимулируют инновации в ряде областей применения, включая термоядерную энергию, нанопроизводство, квантовые материалы и устройства, а также науку об устойчивом развитии. Университет управляет лабораторией Управления науки Министерства энергетики США, которая является крупнейшим в стране спонсором фундаментальных исследований в области физических наук. Почувствуй тепло в https://energy.gov/science и https://www.pppl.gov .