Stěžejní objev signalizuje obrovský skok vpřed v pokroku fúzních energetických reaktorů

Výzkumníci použili Alfvénovy vlny k zeslabení uniklých elektronů v tokamakových fúzních zařízeních, což má zásadní důsledky pro budoucí projekty fúzní energie, včetně ITER ve Francii.

Vědci vedení Zhang Liu z Princeton’s Plasma Physics Laboratory (PPPL) odhalil slibný přístup ke zmírnění poškození uniklých elektronů způsobené turbulencí ve fúzních zařízeních tokamaku. Klíčem k tomuto přístupu bylo využití jedinečného žánru plazma Vlna pojmenovaná po astrofyzikovi Hansi Alvvénovi, který v roce 1970 získal Nobelovu cenu.

O vlnách Alfvén je již dlouho známo, že uvolňují zadržování vysokoenergetických částic v tokamakových reaktorech, umožňují některým uniknout a snižují účinnost zařízení ve tvaru koblihy. Nové poznatky Zhang Liu a výzkumníků z General Atomics, Columbia University a PPPL však odhalily užitečné výsledky v případě uniklých elektronů.

Skvělý kruhový proces

Vědci zjistili, že takové uvolnění by mohlo rozptýlit nebo rozptýlit vysokoenergetické elektrony, než se promění v laviny, které poškodí součásti tokamaku. Tento proces je určen jako pozoruhodně kruhový: uprchlíci vytvářejí nestability, které dávají vzniknout Alfvénovým vlnám, které brání vzniku laviny.

„Tato zjištění poskytují komplexní vysvětlení pro přímé pozorování Alfvénových vln v experimentech s inaktivací,“ řekl Liu, výzkumník z PPPL a hlavní autor článku, který podrobně popisuje zjištění. Fyzické kontrolní dopisy. „Výsledky demonstrují jasnou souvislost mezi těmito vzory a generováním uniklých elektronů.“

Chang Liu. Kredit: Elle Starkman

Vědci odvodili teorii pro pozorovaný okruh těchto interakcí. Výsledky dobře zapadají do experimentů s uprchlíky v National Fusion Facility DIII-D, oddělení energetického tokamaku provozovaného General Atomics pro Office of Science. Testy této teorie se také ukázaly jako pozitivní na superpočítači Summit umístěném v Oak Ridge National Laboratory.

„Práce Zhang Liu ukazuje, že velikost zásoby unikajícího elektronu může být řízena nestabilitou poháněnou samotnými unikajícími elektrony,“ řekl Felix Parra Diaz, vedoucí teorie v PPPL. „Jeho výzkum je velmi vzrušující, protože může vést k návrhům tokamaku, které přirozeně zmírňují poškození způsobené únikem elektronů prostřednictvím inherentní nestability.“

Tepelné kalení

Turbulence začíná prudkým poklesem milionových teplot potřebných pro fúzní reakce. Tyto kapky, nazývané „tepelné zhášení“, uvolňují sesuvné laviny podobné sesuvům půdy vyvolaným zemětřesením. „Ovládání turbulencí je velkou výzvou pro úspěch tokamaku,“ řekl Liu.

Fúzní reakce kombinují lehké prvky ve formě plazmy – horkého, nabitého stavu hmoty tvořené volnými elektrony a atomovými jádry zvanými ionty – za účelem uvolnění masivní energie, která pohání Slunce a hvězdy. Zmírnění rizika turbulence a úniků elektronů by tak poskytlo jedinečný přínos tokamakovým zařízením určeným k reprodukci tohoto procesu.

Zmírnění rizika turbulence a úniků elektronů by tak poskytlo jedinečný přínos tokamakovým zařízením určeným k reprodukci tohoto procesu.

Energie z jaderné syntézy může být klíčovým zdrojem udržitelné energie, který doplní obnovitelné zdroje energie. Ve Francii se nyní staví největší fúzní experiment na světě, ITER. Kredit: ITER

Nový přístup by mohl mít důsledky pro pokrok projektu ITER, mezinárodního tokamaku ve výstavbě ve Francii, aby demonstroval praktické využití energie z jaderné syntézy, a mohl by představovat významný krok ve vývoji jaderných elektráren.

„Naše zjištění dláždí cestu k vytvoření nových strategií ke zmírnění úniků elektronů,“ řekl Liu. Nyní ve fázi plánování probíhají experimentální kampaně, ve kterých se tři výzkumná centra zaměřují na další rozvoj úžasných výsledků.