Учените постигнаха забележителен пробив в концептуалния дизайн на усукани стеларатори, експериментални магнитни съоръжения, които могат да възпроизвеждат на Земята енергията от синтеза, която захранва слънцето и звездите. Пробивът показва как да се оформят по-прецизно обграждащите магнитни полета в стелараторите, за да се създаде безпрецедентна способност за задържане на термоядреното гориво заедно.
„Ключовото нещо беше разработването на част от софтуера, който ви позволява бързо да изпробвате нови методи за проектиране,“ каза Елизабет Пол, президентски постдокторант на Принстънския университет в Принстънската лаборатория по физика на плазмата (PPPL) на Министерството на енергетиката на САЩ и съпр. -автор на документ, който описва находката в Physical Review Letters. Резултатите, получени от Пол и водещия автор Мат Ландреман от Университета на Мериленд, биха могли да повишат способността на стелараторите да събират термоядрен синтез, за да генерират безопасна и безвъглеродна електрическа енергия за човечеството.
Ренесанс на стелараторите
Стелараторите, изобретени от астрофизика от Принстън и основател на PPPL Лайман Спицър през 50-те години на миналия век, отдавна заемат заден план спрямо токамаците в световните усилия за производство на контролирана термоядрена енергия. Но последните разработки, които включват впечатляващото представяне на стеларатора Wendelstein 7-X (W7-X) в Германия, обширните резултати от Large Helical Device (LHD) в Япония, обещаващите резултати от Helically Symmetric Experiment (HSX) в Мадисън , Уисконсин, и предложеното използване на прости постоянни магнити за замяна на сложни стелараторни бобини създадоха ренесанс на интереса към усуканите машини.
Физикът Елизабет Пол и Мат Ландреман с илюстративни фигури зад тях. Кредит: Артър Лин за снимката на Пол, Фей Левин за снимката на Ландреман; фигури горе вляво и вдясно от PRL хартия; долни компютърно генерирани визуализации на токамак, вляво, и стеларатор, вдясно от Пол и Ландреман. Колаж от Киран Сударсанан.
Ядреният синтез създава огромна енергия в цялата вселена чрез комбиниране на леки елементи под формата на плазма, горещото, заредено състояние на материята, съставено от свободни електрони и атомни ядра или йони, което съставлява 99 процента от видимата вселена. Stellarators биха могли да произвеждат лабораторни версии на процеса без риск от вредните смущения, с които се сблъскват по-широко използваните съоръжения за синтез на токамак.
Въпреки това усукващите се магнитни полета в стелараторите са по-малко ефективни при ограничаването на пътищата на йоните и електроните, отколкото рутинно правят симетричните полета с форма на поничка в токамаците, причинявайки голяма и продължителна загуба на екстремна топлина, необходима за довеждане йоните заедно, за да освободят енергия от синтез. Освен това сложните намотки, които произвеждат стелараторните полета, са трудни за проектиране и изграждане.
Настоящият пробив създава това, което се нарича „квазисиметрия“ в стелараторите, за да съответства почти на ограничаващата способност на симетричните полета на токамак. Докато учените отдавна се стремят да създадат квазисиметрия в усукващи се стеларатори, новото изследване разработва трик за почти прецизното й създаване. Трикът използва нов софтуер с отворен код, наречен SIMSOPT (Simons Optimization Suite), който е предназначен да оптимизира стелараторите чрез бавно прецизиране на симулираната форма на границата на плазмата, която маркира магнитните полета. „Способността да се автоматизират нещата и бързо да се изпробват нещата с този нов софтуер прави тези конфигурации възможни“, каза Ландреман.
Учените биха могли също така да приложат констатациите за изследване на астрофизични проблеми, каза той. В Германия екип разработва квазисиметричен стеларатор за ограничаване и изследване на частици антиматерия като тези, открити в космоса. „Това е точно същото предизвикателство като при синтеза“, каза Ландреман. „Просто трябва да се уверите, че частиците остават затворени.“
Революционни допускания
Пробивът направи някои опростяващи допускания, които ще изискват подобрение. За простота, например, изследването разглежда режим, при който налягането и електрическият ток в плазмата са малки. „Направихме някои опростяващи предположения, но изследването е значителна стъпка напред, защото показахме, че всъщност можете да получите точна квазисиметрия, която дълго време се смяташе за невъзможна“, каза Пол.
Също така се нуждаят от по-нататъшно развитие, преди откритията да могат да бъдат реализирани, новите намотки на стеларатора и детайлното инженерство на дизайна на стеларатора. Магнитното поле може да бъде осигурено отчасти от постоянните магнити, които PPPL разработва, за да рационализира днешните усукани стелараторни бобини. „Най-големите липсващи части са магнитите, налягането и токът“, каза Ландреман.
Работата на Пол върху документа за PRL е сред постиженията през втората година от нейната президентска стипендия в Принстън. Преди това тя спечели силно конкурентната награда за изключителна докторска дисертация Маршал Н. Розенблут на Американското физическо дружество за 2021 г. за дисертацията си в Университета на Мериленд, на която Ландреман беше съветник. Сега тя работи с завършилия PPPL студент Ричард Нийс, който наскоро публикува статия, която прилага математическите инструменти, разработени от нейната дипломна работа в Мериленд, за да ускори производството на квазисиметрия.
Наблюдаването на работата на Пол в Принстън е физикът от PPPL Амитава Бхатачарджи, професор по астрофизични науки в Принстън, който също така ръководи проекта „Скрити симетрии и термоядрена енергия“, спонсориран от фондация Саймънс в Ню Йорк, която финансира документа за PRL. „Работата на Мат и Елизабет умело използва математическите и изчислителни инструменти, разработени през последните години за оптимизиране на стелараторите, и установява без съмнение, че можем да проектираме квазисиметрични магнитни полета на стеларатори с безпрецедентно ниво на точност. Това е триумф на изчислителния дизайн.
Работата на Stellarator по проекта Simons е паралелна с изследванията на PPPL за разработване на обещаващо устройство, изобретено от Лабораторията преди около 70 години. Такова развитие би съчетало най-добрите характеристики на стелараторите и токамаците, за да проектира съоръжение без прекъсване със силно ограничаване на плазмата, за да възпроизведе практически неограничен източник на енергия от термоядрен синтез.
Справка: „Магнитни полета с прецизна квазисиметрия за задържане на плазма“ от Мат Ландреман и Елизабет Пол, 18 януари 2022 г., Писма за физически преглед.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.035001
