Новый механизм выхода плазмы может защитить термоядерные сосуды от чрезмерного нагрева

Важные новости

Новый механизм выхода плазмы может защитить термоядерные сосуды от чрезмерного нагрева

Это неподвижное изображение из нового моделирования показывает, как плазма из области пьедестала соединяется через предположительно последнюю удерживающую поверхность с областью плазмы дивертора. Длинные и тонкие доли колеблются во времени и пространстве. Авторы и права: (Моделирование) Сын-Хе Ку/Принстонская лаборатория физики плазмы на компьютере Summit Министерства энергетики в Национальной лаборатории Ок-Ридж; (Визуализация) Дэйв Пагмайр и Чон Юл Чой/Национальная лаборатория Ок-Ридж

По мнению исследователей из Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), Национальная лаборатория Ок-Риджа и Организация ИТЭР (ИТЭР) Министерства энергетики США (DOE).

«Это открытие фундаментально меняет наше представление о том, как тепло и частицы перемещаются между двумя критически важными областями на границе плазмы во время термоядерного синтеза», — сказал управляющий главный физик-исследователь PPPL Чунсок Чанг, который возглавлял группу исследователей, стоящих за открытием. Новая статья с подробным описанием их работы была недавно опубликована в журнале Nuclear Fusion после предыдущих публикаций на эту тему.

Для достижения термоядерного синтеза температура внутри токамака — устройства в форме пончика, удерживающего плазму — должна подняться выше 150 миллионов градусов по Цельсию. Это в 10 раз горячее, чем в центре Солнца. Удержать что-то настолько горячее сложно, даже несмотря на то, что плазма в значительной степени удерживается от внутренних поверхностей с помощью магнитных полей. Эти поля удерживают большую часть плазмы в центральной области, известной как ядро, образуя кольцо в форме пончика.

Однако некоторые частицы и тепло покидают ограниченную плазму и попадают в материал, обращенный к плазме. Новые результаты исследователей PPPL показывают, что частицы, вылетающие из плазмы ядра внутри токамака, сталкиваются с большей площадью токамака, чем считалось ранее, что значительно снижает риск повреждения.

Предыдущие исследования основаны на физических и экспериментальных данных из современные токамаки предполагают, что выхлопное тепло будет сосредоточено в очень узкой полосе вдоль части стенки токамака, известной как диверторные пластины. Дивертор, предназначенный для удаления выходящего тепла и частиц из горящей плазмы, имеет решающее значение для производительности токамака.

Новый механизм выхода плазмы может защитить термоядерные сосуды от чрезмерного нагрева» /></p>
<p> Экспериментальный токамак ИТЭР будет иметь дивертор, расположенный по кольцу вокруг нижней части камеры токамака. На изображении выше дивертор выделен желтым цветом. Фото: Организация ИТЭР </p>
<p>«Если все это тепло попадет на эту узкую область, то эта часть диверторной пластины будет очень быстро повреждена», — сказал Чанг, работающий в теоретическом отделе PPPL. «Это может означать частые простои. Даже если вы просто заменяете эту часть машины, это не займет много времени».</p>
<p>Проблема не остановила работу существующих токамаков, которые не так мощны, как те, которые потребуются для термоядерного реактора промышленного масштаба. Однако в течение последних нескольких десятилетий существовали серьезные опасения, что устройство коммерческого масштаба создаст плазму настолько плотную и горячую, что диверторные пластины могут быть повреждены. Один из предложенных планов заключался в добавлении примесей к краю плазмы, чтобы излучать энергию выходящей плазмы, уменьшая интенсивность тепла, попадающего на материал дивертора, но Чанг сказал, что этот план все еще остается сложной задачей.</p>
<h2>Моделирование путь эвакуации</h2>
<p>Чанг решил изучить, как частицы убегают и где они могут приземлиться на таком устройстве, как ИТЭР, многонациональной термоядерной установке, собираемой во Франции. Для этого его группа создала моделирование плазмы, используя компьютерный код, известный как X-Point Included Gyrokinetic Code (XGC). Этот код является одним из нескольких, разработанных и поддерживаемых PPPL, которые используются для исследования термоядерной плазмы.</p>
<p>Моделирование показало, как частицы плазмы перемещаются по поверхности магнитного поля, которая должна была стать границей, разделяющей ограниченную плазму. из неограниченной плазмы, включая плазму в диверторной области. Эта поверхность магнитного поля, создаваемая внешними магнитами, называется последней удерживающей поверхностью.</p>
<p><video class=Эта визуализация показывает, как плазма пьедестала пересекает белые пунктирные линии, представляющие то, что считалось точкой разделения между плазмой пьедестала и плазмой дивертора. Оранжевый и желтый представляют плазму. Кредит: Дэйв Пагмайр и Чон Юл Чой/Национальная лаборатория Оук-Ридж

Пару десятилетий назад Чанг и его коллеги обнаружили, что заряженные частицы, известные как ионы, пересекают этот барьер и ударяются о пластины дивертора. Позже они обнаружили, что эти выходящие ионы заставляют тепловую нагрузку фокусироваться на очень узкой области пластин дивертора.

Несколько лет назад Чанг и его коллеги обнаружили, что турбулентность плазмы может позволить отрицательно заряженным частицам, называемым электронами, пересекать последнюю удерживающую поверхность и увеличивать тепловую нагрузку на диверторные пластины в ИТЭР в 10 раз. Однако при моделировании по-прежнему предполагалось, что последняя удерживающая поверхность не была затронута турбулентностью плазмы.

«В новой статье мы показываем, что последняя удерживающая поверхность сильно нарушается турбулентностью плазмы во время термоядерного синтеза, даже когда нет никаких возмущений, вызванных внешними катушками или резкими нестабильностями плазмы», — сказал Чанг. «Хорошей поверхности последнего удержания не существует из-за сумасшедших турбулентных магнитных поверхностных возмущений, называемых гомоклиническими клубками».

На самом деле, по словам Чанга, моделирование показало, что электроны соединяют край основной плазмы с дивертором. плазма. Путь электронов, когда они следуют по пути этих гомоклинических клубков, расширяет зону теплового удара на 30% больше, чем предыдущая оценка ширины, основанная только на турбулентности.

Он объяснил: «Это означает, что еще менее вероятно, что поверхность дивертора будет повреждена теплом выхлопных газов в сочетании с радиационным охлаждением электронов путем впрыска примесей в плазму дивертора. Исследование также показывает, что турбулентные гомоклинические клубки могут уменьшить вероятность резких нестабильностей на границе плазмы, поскольку они ослабляют ее движущую силу».

«Последней удерживающей поверхности в токамаке нельзя доверять», — сказал Чанг. «Но, по иронии судьбы, это может повысить производительность термоядерного синтеза за счет снижения вероятности повреждения поверхности дивертора в установившемся режиме и устранения переходного всплеска энергии плазмы на поверхность дивертора из-за резких краевых нестабильностей плазмы, которые являются двумя из наиболее ограничивающих производительность проблем. в будущих коммерческих токамак-реакторах.»

Дополнительная информация: К.С. Чанг и др., Роль турбулентного сепаратрисного переплетения в совершенствовании интегрированного пьедестала и теплоотвода выпуск стационарных термоядерных реакторов токамак, Nuclear Fusion (2024 г.). DOI: 10.1088/1741-4326/ad3b1e

Предоставлено Принстонской лабораторией физики плазмы

Новости сегодня

Последние новости