Tutkijat ovat saavuttaneet merkittävän läpimurron kierteisten stellaraattorien, kokeellisten magneettisten laitteiden, konseptisuunnittelussa, jotka voisivat toistaa maan päällä aurinkoa ja tähtiä käyttävän fuusioenergian. Läpimurto osoittaa, kuinka stellaraattorien ympäröivät magneettikentät voidaan muotoilla tarkemmin, jotta saadaan aikaan ennennäkemätön kyky pitää fuusiopolttoaine yhdessä.
"Avainasia oli sellaisen ohjelmiston kehittäminen, jonka avulla voit kokeilla nopeasti uusia suunnittelumenetelmiä", sanoi Elizabeth Paul, Princetonin yliopiston presidentin tohtorintutkija Yhdysvaltain energiaministeriön Princetonin plasmafysiikan laboratoriosta (PPPL) ja yhteistyöstä. -kirjoittaja artikkelille, joka kertoo löydöstä Physical Review Letters -julkaisussa. Paulin ja pääkirjailija Matt Landremanin Marylandin yliopistosta tuottamat tulokset voivat parantaa stellaraattorien kykyä kerätä fuusiota turvallisen ja hiilettömän sähkön tuottamiseksi ihmiskunnalle.
Stellaraattoreiden renessanssi
Princetonin astrofyysikon ja PPPL:n perustajan Lyman Spitzerin 1950-luvulla keksimät stellaraattorit ovat jo pitkään jääneet tokamakien taakse maailmanlaajuisissa pyrkimyksissä tuottaa hallittua fuusioenergiaa. Mutta viimeaikaiset kehityssuunnat, kuten Wendelstein 7-X (W7-X) -stellaraattorin vaikuttava suorituskyky Saksassa, laajat tulokset Large Helical Device (LHD) -laitteesta Japanissa, lupaavat tulokset Helically Symmetric Experiment (HSX) -kokeesta Madisonissa. Wisconsinissa, ja ehdotettu yksinkertaisten kestomagneettien käyttö monimutkaisten stellaraattorikelojen korvaamiseksi ovat luoneet kiinnostuksen renessanssin kierteleviä koneita kohtaan.
Fyysikko Elizabeth Paul ja Matt Landreman kuvaavilla hahmoilla takanaan. Luotto: Arthur Lin Paul-kuvasta, Faye Levine Landreman-kuvasta; vasen ja oikea yläkuva PRL-paperista; alhaalla tietokoneella luotuja visualisointeja tokamakista vasemmalla ja stellaraattorilla, oikealla Paul ja Landreman. Kollaasi Kiran Sudarsanan.
Fuusio luo valtavaa energiaa kaikkialla maailmankaikkeudessa yhdistämällä kevyitä alkuaineita plasman muodossa, kuuman, varautuneen aineen muodossa, joka koostuu vapaista elektroneista ja atomiytimistä tai ioneista, mikä muodostaa 99 prosenttia näkyvästä maailmankaikkeudesta. Stellaraattorit voisivat tuottaa laboratorioversioita prosessista ilman riskiä vahingollisista häiriöistä, joita useammin käytetyt tokamak-fuusiolaitokset kohtaavat.
Stellaraattoreiden kiertyvät magneettikentät ovat kuitenkin olleet vähemmän tehokkaita ionien ja elektronien kulkureittien rajoittamisessa kuin symmetriset, donitsimaiset kentät tokamakeissa, mikä on aiheuttanut suuren ja jatkuvan äärimmäisen lämmön hävityksen, joka vaaditaan tuomiseen. ionit yhdessä vapauttamaan fuusioenergiaa. Lisäksi stellaraattorikenttiä tuottavia monimutkaisia keloja on vaikea suunnitella ja rakentaa.
Nykyinen läpimurto tuottaa stellaraattoreissa niin sanotun kvasisymmetrian, joka vastaa lähes tokamakin symmetristen kenttien rajaamiskykyä. Tiedemiehet ovat pitkään pyrkineet tuottamaan kvasisymmetriaa kiertyvissä stellaraattoreissa, mutta uusi tutkimus kehittää tempun sen luomiseksi lähes tarkasti. Temppu käyttää uutta avoimen lähdekoodin ohjelmistoa nimeltä SIMSOPT (Simons Optimization Suite), joka on suunniteltu optimoimaan stellaraattorit hiomalla hitaasti magneettikentät merkitsevän plasman rajan simuloitua muotoa. "Kyky automatisoida asioita ja kokeilla asioita nopeasti tällä uudella ohjelmistolla mahdollistaa nämä kokoonpanot", Landreman sanoi.
Tutkijat voisivat soveltaa tuloksia myös astrofysikaalisten ongelmien tutkimukseen, hän sanoi. Saksassa ryhmä kehittää kvasisymmetristä stellaraattoria rajoittamaan ja tutkimaan antimateriahiukkasia, kuten avaruudesta löytyviä hiukkasia. "Se on täsmälleen sama haaste kuin fuusiossa", Landreman sanoi. "Sinun täytyy vain varmistaa, että hiukkaset pysyvät suljettuina."
Läpimurto-oletukset
Läpimurto teki joitain yksinkertaistavia oletuksia, jotka vaativat parantamista. Yksinkertaisuuden vuoksi tutkimuksessa tarkasteltiin esimerkiksi järjestelmää, jossa plasman paine ja sähkövirta olivat pieniä. "Olemme tehneet joitain yksinkertaistavia oletuksia, mutta tutkimus on merkittävä askel eteenpäin, koska olemme osoittaneet, että voit itse asiassa saada tarkan kvasisymmetrian, jota ei pidetty pitkään aikaan mahdollisena", Paul sanoi.
Lisäkehitystä vaativat myös uudet stellaraattorikelat ja stellaraattorin suunnittelun yksityiskohtainen suunnittelu, ennen kuin havainnot voidaan toteuttaa. Magneettikenttä voitaisiin tarjota osittain kestomagneeteilla, joita PPPL kehittää nykypäivän kierrettyjen stellaraattorikelojen virtaviivaistamiseksi. "Suurin puuttuvat palaset ovat magneetit ja paine ja virta", Landreman sanoi.
Paulin työ PRL-paperin parissa on yksi saavutuksista hänen Princetonin presidentti-apurahansa toisena vuonna. Hän voitti aiemmin American Physical Societyn erittäin kilpailukykyisen vuoden 2021 Marshall N. Rosenbluth Outstanding Doctoral Thesis Award -palkinnon väitöskirjastaan Marylandin yliopistossa, jossa Landreman toimi neuvonantajana. Hän työskentelee nyt PPPL:n jatko-opiskelijan Richard Niesin kanssa, joka julkaisi äskettäin artikkelin, joka soveltaa matemaattisia työkaluja, joita hänen Marylandin opinnäytetyönsä kehitti nopeuttamaan kvasisymmetrian tuotantoa.
Paavalin Princeton-työtä valvoo PPPL-fyysikko Amitava Bhattacharjee, Princetonin astrofysiikan professori, joka myös valvoo PRL-paperia rahoittaneen New Yorkin Simons Foundationin sponsoroimaa "Piilotetut symmetriat ja fuusioenergia" -projektia. "Mattin ja Elizabethin työssä hyödynnetään taitavasti viime vuosina stellaraattorien optimointiin kehitettyjä matemaattisia ja laskennallisia työkaluja ja todistetaan kiistattomasti, että voimme suunnitella kvasisymmetrisiä stellaraattorien magneettikenttiä ennennäkemättömällä tarkkuudella. Se on laskennallisen suunnittelun voitto."
Stellarator-työ Simons-projektissa rinnastaa PPPL-tutkimukseen laboratorion noin 70 vuotta sitten keksimän lupaavan laitteen kehittämiseksi. Tällainen kehitys yhdistäisi stellaraattorien ja tokamakkien parhaat ominaisuudet ja suunnittelee häiriöttömän laitoksen vahvalla plasmarajoituksella, joka tuottaa käytännössä rajattoman fuusioenergian lähteen.
Viite: "Magnetic Fields with Precise Quasisymmetry for Plasma Confinement", Matt Landreman ja Elizabeth Paul, 18. tammikuuta 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.0350
