Naukowcy przeprowadzili symulację przełomowego rozwiązania umożliwiającego zwiększenie wydajności syntezy jądrowej poprzez wyeliminowanie „powolnych trybów”, czyli nieprzydatnych fal, które marnują energię podczas osocze ogrzewanie.
Korzystając z symulacji 2D, badacze wykazali, jak niewielkie nachylenie ekranu Faradaya może poprawić transfer energii, przybliżając nas do zrównoważonej energii termojądrowej.
Ogrzewanie plazmowe dla syntezy termojądrowej: wyzwanie
Ogrzewanie plazmy do ekstremalnych temperatur wymaganych do reakcji termojądrowych nie jest prostym zadaniem. Jedna z metod polega na wykorzystaniu fal elektromagnetycznych, podobnych do tych w kuchenkach mikrofalowych, do podgrzania plazmy. Jednak podczas generowania pożądanych fal grzewczych czasami może powstać inny rodzaj fali – zwany trybem wolnym. Te wolne tryby nie przyczyniają się do podgrzewania plazmy i zamiast tego marnują cenną energię.
Aby stawić czoła temu wyzwaniu, naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych (PPPL) przeprowadził zaawansowane symulacje komputerowe. Potwierdzili technikę, która zapobiega tworzeniu się tych nieefektywnych wolnych modów, umożliwiając wykorzystanie większej ilości energii do skutecznego podgrzewania plazmy. Ten przełom zwiększa efektywność reakcji termojądrowych, przybliżając nas do osiągnięcia praktycznej energii termojądrowej.
„Po raz pierwszy naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe 2D do zbadania sposobów redukcji modów wolnych” – powiedziała Eun-Hwa Kim, główny fizyk badawczy PPPL i główny autor książki papier raportowanie wyników w Fizyka plazmy. „Wyniki mogą prowadzić do bardziej wydajnego ogrzewania plazmy i prawdopodobnie łatwiejszej drogi do energii termojądrowej”.
Wyrównywanie ekranów Faradaya w celu uzyskania optymalnej wydajności
Zespół, w skład którego weszli naukowcy z General Atomy którzy korzystają z DIII-D tokamaka ustaliło, że umieszczenie metalowej kratki zwanej ekranem Faradaya pod niewielkim kątem pięciu stopni w stosunku do anteny wytwarzającej fale grzewcze, zwane również falami helikonu, wstrzymuje wytwarzanie trybów wolnych.
Naukowcy chcą uniknąć tworzenia wolnych modów, ponieważ w przeciwieństwie do fal helikonu nie mogą one przenikać przez linie pola magnetycznego ograniczającego plazmę w celu ogrzania rdzenia, gdzie zachodzi większość reakcji termojądrowych. Ponadto wolne tryby są łatwo tłumione lub wygaszane przez samą plazmę. Dlatego wszelka energia wykorzystywana do tworzenia wolnych trybów jest energią, która nie jest wykorzystywana do ogrzewania plazmy i wspomagania reakcji termojądrowych.
Symulacja sukcesu z Petrą-M
Naukowcy symulowali wytwarzanie fal helikonowych i trybów wolnych przy użyciu kodu komputerowego Petra-M, potężnego i wszechstronnego programu używanego do modelowania fal elektromagnetycznych w urządzeniach termojądrowych i plazmie kosmicznej.
W symulacjach odtworzono warunki panujące w tokamaku DIII-D, urządzeniu plazmowym w kształcie pączka, obsługiwanym przez General Atomics dla DOE. Zespół przeprowadził serię wirtualnych eksperymentów, aby sprawdzić, który z poniższych czynników ma największy wpływ na wytwarzanie wolnych modów — ustawienie anteny, ustawienie ekranu Faradaya czy gęstość małych cząstek zwanych elektronami przed anteną.
Symulacje potwierdziły sugestie poprzednich badaczy wskazujące, że gdy ekran Faradaya został ustawiony pod kątem nie większym niż pięć stopni w stosunku do orientacji anteny, ekran w efekcie powoduje zwarcie wolnych trybów, powodując ich wygaszenie, zanim zaczną działać. rozprzestrzeniać się w plazmie.
Wrażliwość trybów wolnych na wyrównanie ekranu
Tłumienie wolnych trybów zależy w dużej mierze od tego, jak bardzo ekran Faradaya przechyla się na bok. „Odkryliśmy, że gdy orientacja ekranu przekracza pięć stopni tylko nieznacznie, tryby wolne znacznie się zwiększają” – powiedział Masayuki Ono, główny fizyk badawczy PPPL, jeden z autorów artykułu. „Byliśmy zaskoczeni, jak wrażliwy był rozwój trybów wolnych na wyrównanie ekranu”.
Naukowcy mogliby wykorzystać te informacje do ulepszenia projektów nowych obiektów termojądrowych, aby ich ogrzewanie było wydajniejsze i wydajniejsze.
Przyszłe kierunki wydajności syntezy jądrowej
W przyszłości naukowcy planują poszerzyć swoją wiedzę na temat zapobiegania powolnym trybom, przeprowadzając symulacje komputerowe, które uwzględniają więcej właściwości plazmy i uwzględniają więcej informacji o antenie.
Odniesienie: „Symulacje pełnofalowe na helikonie i pasożytniczym wzbudzeniu fal wolnych w pobliżu plazmy krawędziowej” autorstwa E.-H. Kim, M. Ono, S. Shiraiwa, N. Bertelli, M. Poulos, B. Van Compernolle, A. Bortolon i RI Pinsker, 2 października 2024 r., Fizyka plazmy.
DOI: 10.1063/5.0222413
Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe DOE (Fusion Energy Sciences) w ramach umów DE-AC20-09CH11466 i DE-FC02-04ER54698 oraz program DOE Scientific Discovery Through Advanced Computing w ramach umowy DE-SC0024369. Symulacje przeprowadzono przy użyciu Narodowego Centrum Obliczeniowego Badań nad Energią, obiektu użytkownika DOE w Lawrence Berkeley National Laboratory w ramach umowy DE-AC02-05CH11231 i nagrody FES-ERCAP0027700.
