Tyrėjai iš anksto supranta turbulenciją, kuri iš branduolių sintezės reaktorių išleidžia šilumą

Anonim

Subatominės dalelės gyvenimas gali būti drąsus. Užpildytieji branduoliai ir elektronai, esantys aplink vakuuminius indus su spurgos formos sintezės mašinomis, vadinamomis tokamaksu, visada yra judesio. Tačiau, nors šis judesys padeda kurti branduolio sintezės reakcijas, galinčias valdyti naują elektros generatoriaus klasę, jos sukeliamos sukrėtimos taip pat gali riboti šias reakcijas.

Dabar fizikų mokslininkai, esantys JAV energetikos departamento Prinstono plazmos fizikos laboratorijoje (PPPL), atnešė svarbių naujų įžvalgų apie tai, kas paveikia šią turbulenciją, kuri gali turėti įtakos šilumos nutekėjimui iš sintezės plazmos tokamakais. Supratimas, kaip sintezės plazmos praranda šilumą, yra labai svarbus, nes kuo plazma gali išlaikyti savo šilumą, tuo efektyvesnis gali būti termobranduolinis reaktorius. Toks supratimas galėtų pagerinti ITER, daugiašalio tokamako, kuris pastatytas Prancūzijoje, rezultatus, todėl sumažėtų šilumos nutekėjimas.

Šio tyrimo rezultatai buvo paskelbti serijos dokumentuose, o naujausia iš jų - 2015 m. Gruodžio mėn. Plazmos fizikoje. Pirminės pastabos buvo paskelbtos 2011 m. " Physical Review Letters " ir " Plazmos fizika " 2012 m. Tyrimą palaikė DOE Mokslo tarnyba.

Išvados remiasi faktu, kad plazmos centras, veikiant tokamakui, daug karštesnis nei kraštas. Tada sukrėtė tendencija valdyti jonus ir elektronus karštoje centrinėje plazmoje link krašto, lyg šilčiau vanduo arbatos virdulio dugne link maišomas su vėsesniu vandeniu viršuje, išlaikant vandenį ar plazmą kaip karšta, kaip kitaip galėtų. Tačiau, kai mokslininkai sukuria tai, kas vadinama "didelio tankio gradientu", plazmos tankis sparčiai auga nuo centro iki žemo krašto, todėl plazma gali būti karštesnė, kol šiluma prasiskverbia.

PPPL metu mokslininkų grupė, įskaitant fizikus Yang Reną ir Walterą Guttenfelderį, dabar parodė, kad kietas tankio gradientas taip pat gali sumažinti elektronų turbulencijos stiprumą. Norėdami tęsti arbatos virdulio analogiją, kietas tankio gradientas gali susilpninti virimo intensyvumą. O silpnesnė virimo ar turbulencija reiškia, kad iš plazmos išsiskiria mažiau šilumos.

Fizikai tyrinėjo PPPL nacionalinį sferinį toro eksperimentą (NSTX), sferinį tokamaką, kuris yra šerdies obuolio formos, prieš jį neseniai atnaujinus. "NSTX yra vienas iš nedaugelio tokamakų pasaulyje, galinčių tiesiogiai įvertinti elektronų masto turbulenciją", - teigė MIT absolventas Juan Ruizas Ruizas ir pirmasis naujausio autoriaus autorius.

Naudodama PPPL kompiuterius komanda analizavo 2010 m. NSTX eksperimentų metu sukurtus duomenis, kai mokslininkai naudojo diagnozę, vadinamą "high-k" sklaidos įtaisu, kuris spinduliuoja mikrobangų į plazmą ir nustato, kaip jie skleidžia. Duomenys patvirtino, kad turbulencija buvo maža, kai tankio gradientas buvo kietas.

Siekiant išanalizuoti, kaip tankio gradientas paveikė elektronų turbulencijos stiprumą, komanda informavo apie plazmos temperatūrą ir tankį programoje, kuri buvo vykdoma kompiuteriuose Nacionaliniame energetikos tyrimų moksliniame kompiuterių centre, "Lawrence Berkeley National" mokslinės laboratorijos DOE tarnyboje Laboratorija, Berkeley, Kalifornija. Rezultatai parodė, kad kietas gradientas sumažino elektronų turbulencijos stiprumą daug daugiau nei anksčiau prognozuojamos teorijos.

Straipsnyje aptarta elektronų turbulencija papildo MIT tyrimą, kuris neseniai buvo paskelbtas žurnale "Nuclear Fusion". Eksperimentų modeliavimas MIT Alcator C-Mod, įprastame tokamake, kuris yra kaip spurgos forma, nustatė, kad elektronų masto turbulencija gali reikšmingai prisidėti prie daug didesnės jonų masės turbulencijos, kuri, kaip manoma, dominuoja šilumos nuostoliuose tradiciniuose tokamakuose.

Šis indėlis buvo įrodytas daugiapakopiuose modeliavimuose, kuriuos vadovavo MIT mokslininkas Nathan Howard, kuris prieštaravo bendra prielaida, kad įprastų tokamakų elektronų poveikis iš esmės buvo nereikšmingas. Atskirtas Ruizio tyrimas pateikė papildomų įrodymų, kad elektronai yra svarbūs neramiems plazmos transportavimui. Sferinis tokamakas, kurio pagrindas buvo šis tyrimas, leidžia lengviau matyti elektronų poveikį, nes tokiuose tokamuose kamerose daug didesnis jonų masto turbulencija paprastai yra slopinama.

"Suprasti turbulencijos stabilizavimo mechanizmus yra neabejotinai svarbi užduotis, kad būtų galima prognozuoti pajėgumus kuriant būsimus sintezės reaktorius", - sakė Ruizas. "Norint išsiaiškinti šilumos nuostolius tokamakuose, būtina atnaujinti tyrimą, o naujausia NSTX versija, NSTX-U, bus tikrai naudojama išsamiai ištirti šį klausimą."

menu
menu