Наука

Плазма, способная производить энергию, должна достигать температуры в центре, превышающей температуру ядра Солнца. При этом на краях плазмы необходимо поддерживать достаточно низкую температуру, чтобы предотвратить повреждение устройства для термоядерного синтеза. Новые исследования показали, что использование жалюзи в нижней части устройства, подобных тем, что устанавливаются на вентиляционных решетках в домах, создает локальные условия, способные снизить температуру краевой плазмы. В частности, жалюзи позволяют горячей плазме «отделяться» от стенок устройства, равномерно распределяя тепло.

Значение

Компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) разрабатывает устройство типа токамак под названием SPARC. Компания стремится достичь ключевого этапа в термоядерной энергетике, впервые создав устройство, которое производит больше энергии, чем потребляет, и при этом может быть масштабировано до размеров коммерческих электростанций. Однако это возможно только в том случае, если плазма не разрушит устройство. Результаты этого исследования открывают новые пути для управления экстремальными температурами, приближая ученых к созданию устойчивого источника термоядерной энергии. В исследовании использовались передовые методы моделирования, которые помогают улучшить проектирование всего устройства и предоставляют ценную информацию для систем управления плазмой SPARC.

Краткое содержание

Commonwealth Fusion Systems, частная компания, финансируемая из частных источников, стремится ускорить коммерциализацию термоядерной энергии для обеспечения человечества обильным источником энергии. Помимо токамака SPARC, CFS планирует создать его преемника — электростанцию, которая будет поставлять энергию в электрическую сеть. Исследователи из CFS и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) сотрудничали в области изучения граничных условий термоядерного синтеза в рамках ряда проектов, включая проекты стратегического партнерства ORNL, лабораторные исследования и разработки, а также работу в рамках сети инноваций Министерства энергетики США (DOE) для термоядерной энергии (INFUSE). В ходе этого сотрудничества ORNL разработала методы моделирования, необходимые для решения критически важных и срочных задач проектирования токамака SPARC.

В этом исследовании ORNL и CFS совместно оценивали конфигурации приводов, в частности тех, которые используются для контроля нейтрального газа, поступающего в токамак и выходящего из него. Чтобы предсказать способность приводов управлять плазмой, ORNL разработала новые методы для запуска основного кода моделирования SOLPS-ITER в динамическом, зависящем от времени режиме, ориентированном на проектирование приводов. Код SOLPS-ITER моделирует транспорт плазмы и нейтральных частиц в граничной области устройств термоядерного синтеза и использовался для разработки компонентов, ориентированных на плазму, для многих токамаков, включая международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER), создаваемый во Франции. Эта новая возможность динамического моделирования выходит за рамки стандартных стационарных моделей и была разработана поэтапно: сначала с учетом только транспорта плазмы для прогнозирующего контроля, затем с учетом реакции нейтральных частиц на жалюзи и, наконец, с созданием полностью связанной динамической модели. Команда CFS использовала эту информацию для выбора наиболее простых и экономически эффективных вариантов приводов и диагностики из большого числа кандидатов. Эта работа позволяет ученым, работающим в области термоядерной энергетики, лучше контролировать устройства типа токамак.

Финансирование

Работа была частично поддержана Программой по наукам о термоядерной энергии Министерства энергетики США, программой исследований и разработок ORNL, а также через сеть инноваций для термоядерной энергии (INFUSE) и компанию Commonwealth Fusion Systems.