Vědci dosáhli pozoruhodného průlomu v koncepčním designu kroucených stelarátorů, experimentálních magnetických zařízení, která by mohla na Zemi reprodukovat energii fúze, která pohání Slunce a hvězdy. Průlom ukazuje, jak přesněji tvarovat obklopující magnetická pole ve stelarátorech, aby se vytvořila bezprecedentní schopnost držet fúzní palivo pohromadě.
„Klíčovou věcí bylo vyvinout kus softwaru, který vám umožní rychle vyzkoušet nové metody návrhu,“ řekla Elizabeth Paul, postdoktorandka prezidenta Princetonské univerzity v Princetonské laboratoři fyziky plazmatu (PPPL) a spol. -autor článku, který podrobně popisuje nález v Physical Review Letters. Výsledky vytvořené Paulem a hlavním autorem Mattem Landremanem z University of Maryland by mohly zvýšit schopnost stelarátorů sklízet fúzi a vyrábět bezpečnou a bezuhlíkovou elektrickou energii pro lidstvo.
Renesance stelarátorů
Stellarátory, vynalezené astrofyzikem z Princetonu a zakladatelem PPPL Lymanem Spitzerem v 50. letech 20. století, již dlouho ustoupily do pozadí tokamaků v celosvětovém úsilí o výrobu energie řízené fúze. Ale nedávný vývoj, který zahrnuje působivý výkon stelarátoru Wendelstein 7-X (W7-X) v Německu, rozsáhlé výsledky z Velkého spirálového zařízení (LHD) v Japonsku, slibné výsledky Helically Symmetric Experiment (HSX) v Madisonu , Wisconsin a navrhované použití jednoduchých permanentních magnetů k nahrazení složitých cívek stelarátorů vyvolalo renesanci zájmu o kroucené stroje.
Fyzik Elizabeth Paul a Matt Landreman s názornými postavami za nimi. Kredit: Arthur Lin za fotografii Paula, Faye Levine za fotografii Landremana; vlevo a vpravo nahoře číslice z papíru PRL; dole počítačově generované vizualizace tokamaku, vlevo a stelarátoru, vpravo od Paula a Landremana. Koláž od Kirana Sudarsanana.
Fúze vytváří obrovskou energii v celém vesmíru spojením světelných prvků ve formě plazmy, horkého, nabitého stavu hmoty složené z volných elektronů a atomových jader neboli iontů, které tvoří 99 procent viditelného vesmíru. Stellarátory by mohly produkovat laboratorní verze procesu bez rizika škodlivých narušení, kterým čelí fúzní zařízení s tokamaky v širším měřítku.
Ovšem kroutící se magnetická pole ve stelarátorech byla méně účinná při omezování drah iontů a elektronů než symetrická pole ve tvaru koblihy v tokamacích běžně dělají, což způsobuje velkou a trvalou ztrátu extrémního tepla potřebného k přivedení ionty společně uvolňují energii fúze. Navíc složité cívky, které vytvářejí pole stelarátorů, je obtížné navrhnout a postavit.
Současný průlom vytváří to, čemu se u stelarátorů říká „kvasisymetrie“, která téměř odpovídá omezující schopnosti symetrických polí tokamaku. Zatímco vědci dlouho usilovali o vytvoření kvazisymetrie v kroucených stelarátorech, nový výzkum vyvinul trik, jak ji vytvořit téměř přesně. Tento trik využívá nový open-source software nazvaný SIMSOPT (Simons Optimization Suite), který je navržen tak, aby optimalizoval stelarátory pomalým zpřesňováním simulovaného tvaru hranice plazmy, která označuje magnetická pole. „Schopnost automatizovat věci a rychle je vyzkoušet s tímto novým softwarem umožňuje tyto konfigurace,“ řekl Landreman.
Vědci by také mohli použít výsledky při studiu astrofyzikálních problémů, řekl. V Německu tým vyvíjí kvazisymetrický stelarátor, který omezuje a studuje částice antihmoty, jaké se nacházejí ve vesmíru. "Je to přesně stejná výzva jako u fúze," řekl Landreman. "Musíte se jen ujistit, že částice zůstanou uzavřeny."
Přelomové předpoklady
Tento průlom přinesl některé zjednodušující předpoklady, které budou vyžadovat vylepšení. Pro jednoduchost například výzkum uvažoval o režimu, ve kterém byl tlak a elektrický proud v plazmatu malý. "Udělali jsme určité zjednodušující předpoklady, ale výzkum je významným krokem vpřed, protože jsme ukázali, že skutečně můžete získat přesnou kvazisymetrii, o které se dlouho předpokládalo, že to není možné," řekl Paul.
Před realizací nálezů je také potřeba další vývoj, nové cívky stelarátoru a podrobné inženýrství konstrukce stelarátoru. Magnetické pole by mohlo být částečně zajištěno permanentními magnety, které PPPL vyvíjí, aby zefektivnily dnešní kroucené stelarátorové cívky. "Největší chybějící kusy jsou magnety a tlak a proud," řekl Landreman.
Paulova práce na papíru PRL patří mezi úspěchy během druhého roku jejího prezidentského stipendia v Princetonu. Předtím vyhrála vysoce konkurenční cenu za vynikající doktorandskou práci Americké fyzikální společnosti 2021 Marshall N. Rosenbluth za svou dizertační práci na University of Maryland, na níž byl Landreman poradcem. Nyní spolupracuje s postgraduálním studentem PPPL Richardem Niesem, který nedávno publikoval článek, který používá matematické nástroje, které její diplomová práce v Marylandu vyvinula k urychlení produkce kvazisymetrie.
Na Paulovu práci v Princetonu dohlíží fyzik PPPL Amitava Bhattacharjee, profesor astrofyzikálních věd z Princetonu, který také dohlíží na projekt „Hidden Symmetries and Fusion Energy“ sponzorovaný Simons Foundation v New Yorku, která financovala práci PRL. „Práce Matta a Elizabeth obratně využívá matematické a výpočetní nástroje vyvinuté v posledních letech pro optimalizaci stelarátorů a nade vší pochybnost prokazuje, že dokážeme navrhnout kvazisymetrická magnetická pole stelarátorů s bezprecedentní úrovní přesnosti. Je to triumf počítačového designu."
Práce stelarátorů na projektu Simons paralelně s výzkumem PPPL s cílem vyvinout slibné zařízení, které Laboratoř vynalezla asi před 70 lety. Takový vývoj by spojil nejlepší vlastnosti stelarátorů a tokamaků a navrhl by zařízení bez přerušení se silným plazmovým omezením pro reprodukci prakticky neomezeného zdroje fúzní energie.
Reference: „Magnetická pole s přesnou kvazisymetrií pro plazmové omezení“ od Matta Landremana a Elizabeth Paul, 18. ledna 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.035001
