Metaforyczne przedstawienie plazmy termojądrowej w kuchence mikrofalowej na tle tostera. Źródło: Kyle Palmer / Dział Komunikacji PPPL
Wytyczanie nowej drogi dla kompaktowych statków termojądrowych.
Niektórzy eksperci uważają, że przyszłość syntezy jądrowej w USA można utożsamić z kompaktowymi, kulistymi naczyniami termojądrowymi. Mniejszy tokamak jest postrzegany jako potencjalnie bardziej ekonomiczne rozwiązanie w zakresie energii termojądrowej. Wyzwanie polega na zmieszczeniu wszystkich niezbędnych komponentów na ograniczonej przestrzeni. Ostatnie badania wskazują, że usunięcie jednego kluczowego elementu używanego do ogrzewania osocze może stworzyć dodatkową wymaganą przestrzeń.
Naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton (PPPL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), prywatnej firmy Tokamak Energy i Uniwersytetu Kyushu w Japonii zaproponowali projekt kompaktowej pilotażowej instalacji do syntezy sferycznej, która podgrzewa plazmę przy użyciu wyłącznie mikrofal. Zwykle w tokamakach kulistych do podgrzewania plazmy wykorzystuje się również masywną cewkę z drutu miedzianego zwaną solenoidem, umieszczoną w pobliżu środka naczynia. Często stosuje się również iniekcję wiązką neutralną, która polega na nałożeniu na plazmę wiązek nienaładowanych cząstek. Ale podobnie jak małą kuchnię łatwiej zaprojektować, jeśli ma mniej urządzeń, tak prostsze i bardziej ekonomiczne byłoby wykonanie kompaktowego tokamaka, jeśli ma mniej systemów grzewczych.
Nowe podejście eliminuje ogrzewanie omowe, które jest tym samym ogrzewaniem, które ma miejsce w tosterze i jest standardem w tokamakach. „Kompaktowa, sferyczna plazma tokamaka wygląda jak wydrążone jabłko ze stosunkowo małym rdzeniem, więc nie ma w nim miejsca na omową cewkę grzejną” – powiedział Masayuki Ono, główny fizyk badawczy w PPPL i główny autor artykułu szczegółowo opisującego nowe badania. „Jeśli nie będziemy musieli uwzględniać omowej wężownicy grzewczej, prawdopodobnie będziemy w stanie zaprojektować maszynę, która będzie łatwiejsza i tańsza w budowie”.
Identyfikacja idealnego kąta świecenia i trybu ogrzewania
Mikrofale są formą promieniowania elektromagnetycznego, które można wytworzyć za pomocą urządzenia zwanego gyrotronem. Żyrotrony znajdowały się na zewnątrz tokamaka – mówiąc metaforycznie, tuż za skórką jabłka – skierowane w stronę rdzenia. Gdy żyrotrony emitowały potężne fale do plazmy, generowały prąd, poruszając ujemnie naładowanymi cząstkami, zwanymi elektronami. Proces ten, znany jako napęd prądowy cyklotronu elektronowego (ECCD), zarówno napędza prąd, jak i podgrzewa plazmę. Proces nagrzewania nie jest jednak tak prosty, jak włączenie niektórych żyrotronów. Naukowcy muszą modelować różne scenariusze i określić różne szczegóły, takie jak najlepszy kąt skierowania żyrotronów, aby mikrofale prawidłowo przenikały przez plazmę.
Używając kodu komputerowego o nazwie TORAY w połączeniu z kodem o nazwie TRANSP, zespół zeskanował kąty celowania i zobaczył, co zapewnia największą skuteczność. Celem jest użycie jak najmniejszej mocy do napędzania niezbędnego prądu. „Musisz także starać się unikać sytuacji, w której cała moc przekazywana do plazmy powraca na zewnątrz” – powiedział Jack Berkery, współautor artykułu i zastępca dyrektora ds. badań w Narodowym Eksperymencie Torusa Sferycznego. Aktualizacja (NSTX-U). Może się to zdarzyć, gdy mikrofale odbijają się od plazmy lub gdy wchodzą do plazmy, ale ją opuszczają, nie zmieniając prądu ani temperatury plazmy. „Przeprowadzono wiele skanów różnych parametrów, aby znaleźć najlepsze rozwiązanie” – powiedział Berkery.
Zespół badawczy ustalił również, który tryb ECCD będzie najlepiej sprawdzał się w każdej fazie procesu ogrzewania. Istnieją dwa tryby: tryb zwykły, znany jako tryb O i tryb nadzwyczajny, znany jako tryb X. Naukowcy uważają, że tryb X najlepiej nadaje się do zwiększania temperatury i prądu plazmy, natomiast tryb O jest najlepszym wyborem po wzroście, gdy trzeba po prostu utrzymać temperaturę i prąd plazmy.
„Tryb O jest dobry w przypadku plazmy o wysokiej temperaturze i dużej gęstości. Odkryliśmy jednak, że wydajność w trybie O staje się bardzo niska w niższych temperaturach, dlatego potrzebne jest coś innego, aby zadbać o reżim niskotemperaturowy” – powiedział Ono.
Biorąc pod uwagę wpływ zanieczyszczeń
Autorzy, w tym badacz ze stopniem doktora Kajal Shah, badali także, w jaki sposób moc będzie promieniować z plazmy. Takie promieniowanie mogłoby być znaczące w plazmie tak dużej, jak ta potrzebna do komercyjnej syntezy jądrowej. Luis Delgado-Aparicio, kierownik Działu Projektów Zaawansowanych w Laboratorium i współautor artykułu, zauważa, że szczególnie ważne będzie zminimalizowanie liczby zanieczyszczeń pochodzących z pierwiastków o dużej liczbie atomowej, zwanej również Z liczba w układzie okresowym. Są to pierwiastki posiadające wiele dodatnio naładowanych cząstek, zwanych protonami. Im więcej protonów ma pierwiastek, tym wyższa jest jego liczba Z i tym bardziej może przyczyniać się do utraty ciepła. Na przykład wolfram i molibden mają liczby Z, zatem należy dokładnie rozważyć ich zastosowanie w zwartym kulistym tokamaku, mając na uwadze eksploatację reaktora w sposób ograniczający przenikanie zanieczyszczeń do plazmy.
Chociaż silne pola magnetyczne w dużej mierze utrzymują plazmę wewnątrz tokamaka w określonym kształcie, czasami plazma może zbliżyć się do wewnętrznych ścian tokamaka. „Kiedy tak się dzieje, atomy ze ścian mogą odpryskiwać i przedostawać się do plazmy, chłodząc ją” – powiedział Delgado-Aparicio. „Nawet stosunkowo niewielka ilość pierwiastka o dużej liczbie Z może spowodować znaczne obniżenie temperatury plazmy.” Dlatego szczególnie ważne jest, aby w miarę możliwości nie dopuścić do przedostania się zanieczyszczeń do plazmy, zwłaszcza gdy temperatura wciąż rośnie.
Partnerstwa prywatno-publiczne: przyszłość syntezy jądrowej
Symulacje ogrzewania są częścią projektu znanego jako Sferyczny Zaawansowany Reaktor Tokamak (STAR). Projekt stanowi strategiczną inicjatywę mającą na celu opracowanie planów pilotażowej elektrowni. Berkery powiedział, że projekt zapewnia badaczom PPPL możliwość zastosowania swojej wiedzy specjalistycznej z fizyki, inżynierii i pracy z kodami komputerowymi do symulacji syntezy termojądrowej podczas współpracy z prywatnymi firmami nad ich planami elektrowni termojądrowych o konstrukcji sferycznego tokamaka.
Władimir Szewczenko, współautor artykułu i starszy doradca techniczny w Tokamak Energy, powiedział, że planuje przeprowadzić eksperymenty pod koniec przyszłego roku na należącym do firmy statku termojądrowym ST40, aby porównać je z wynikami symulacji przedstawionymi w artykule. „Inne systemy grzewcze mają bardzo, bardzo poważne problemy” – powiedział Szewczenko. „Postrzegam to jako przyszłość systemów ogrzewania tokamaków”.
Szewczenko uważa, że projekt czerpie korzyści z partnerstwa publiczno-prywatnego pomiędzy PPPL a Tokamak Energy, jedną z firm wybranych do programu rozwoju syntezy termojądrowej DOE opartego na kluczowych kamieniach milowych. „PPPL posiada wielu doświadczonych specjalistów z różnych dziedzin związanych z fizyką plazmy i technologiami tokamaków. Ich wkład w zakresie modelowania i doradztwa jest bardzo cenny dla prywatnej firmy, takiej jak Tokamak Energy” – powiedział.
Odniesienie: „Efficient ECCD nieindukcyjny prąd plazmowy rozruch, narastanie i podtrzymanie dla reaktora termojądrowego ST” autorstwa M. Ono, JW Berkery, N. Bertelli, S. Shiraiwa, L. Delgado-Aparicio, JE Menard , A. Sánchez-Villar, K. Shah, V. Shevchenko, H. Idei i K. Hanada, 19 czerwca 2024 r., Fuzja nuklearna.
DOI: 10.1088/1741-4326/ad556f
Inni badacze PPPL biorący udział w tym projekcie to Nicola Bertelli, Syun’ichi Shiraiwa, Jon Menard i Álvaro Sánchez Villar. Badania te ukończono dzięki finansowaniu z DOE w ramach umowy o numerze DE-AC02-09CH11466.
