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科学家评估用于燃烧聚变反应燃料的新技术

发布时间:2019-05-14 16:04:47 来源:

为了捕捉和控制地球上驱动太阳和恒星的聚变反应,研究人员必须首先将室温气体转化为热的带电等离子体,为反应提供动力。在美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL),科学家们进行了一项分析,证实了在未来紧凑型聚变设施中启动等离子体的新型非标准方法的有效性。

这种被称为“瞬态同轴螺旋注射(CHI)”的创新技术消除了中心磁体或螺线管,它在最广泛使用的聚变设施托卡马克内发射等离子体。这种消除可以促进恒定或稳态的聚变反应,并且还释放紧凑球形托卡马克中心的宝贵空间,其核心苹果形状比传统的圆环形托卡马克更常见。

提供优势

释放的空间可以提供优势:它可以用于加强限制等离子体的磁场,从而改善其性能。消除螺线管还可以简化紧凑型托卡马克的设计。

聚变反应以等离子体的形式融合轻元素 - 由自由电子和自然发生在整个宇宙中的原子核组成的物质的热的带电状态 - 从而产生能量。科学家正在寻求在地球上复制融合,以获得几乎无穷无尽的安全和清洁电力供应。

螺线管沿着托卡马克的中心向下流动,并在研究人员注入设施的不带电气体中感应出电流。电流从气体中的原子剥离电子,将其转变为带电的等离子体 - 称为“电离”或等离子体击穿的过程。电流还产生一个磁场,该磁场与围绕托卡马克的磁铁产生的磁场相结合,以便装满和控制等离子体,使加热加热产生聚变反应。

消除电磁阀

相比之下,等离子体物理学报告的瞬态CHI过程产生了关键的电流,电极放置在托卡马克的底部或顶部附近,消除了吃空间的螺线管。“我们主要关注的是形成等离子体的开始阶段,”马克斯普朗克等离子体物理研究所的物理学家Kenneth Hammond说,该论文的主要作者曾在PPI研究CHI作为哥伦比亚大学的研究生,并且今年夏天加入实验室。“这有助于更全面地了解CHI如何排放。”

瞬态CHI - 所谓的因为产生等离子体发射电流的电极短暂而不是连续运行 - 最初是在华盛顿大学的小型Helicity Injection Torus(HIT-II)和更大的国家球形实验中开发出来的。 PPPL升级前的Torus实验(NSTX); 这个过程也是以PPPL为蓝本的。华盛顿大学物理学家罗杰拉曼说,这项实验表明短暂的CHI可以从较小的机器扩大到更大的机器,这是长期任命PPPL和该论文的共同作者。

该研究发现CHI电极在早期实验中的放置“在扩大到反应堆时可能表现出严重的弱点,”Hammond说。然后,他分析了一种替代电极配置,类似于目前在QUEST中使用的电极配置,QUEST是日本的球形托卡马克。研究结果表明,在PPPL设计的未来基于球形托卡马克的融合设施中,替代配置可以很好地扩展。“这项研究的好消息是,对大型设备启动的预测看起来很有希望,”哈蒙德说。

有价值的潜力

CHI技术具有宝贵的潜力,同意PPPL的首席工程师Tom Brown帮助设计了未来球形设施的概念。“如果成功,CHI可以为内部组件提供空间,从而提高球形设备的性能,”布朗说。然而,他补充道,“需要在实验水平上开发更多的工程细节,这些细节也可以在更高级别的[演示]设备中以及最终的聚变发电厂中发挥作用。”

到目前为止,研究人员已经在对托卡马克模拟代码进行的模拟中测试了CHI缩放,托卡马克模拟代码是由PPPL物理学家斯蒂芬贾丁创建的计算机程序,该程序模拟了世界各地的等离子体。Jardin是Plasmas物理学报的合着者,他与Raman合作制作了论文中提到的模拟。“尽管CHI从未在大型反应堆规模的设备上进行过测试,”哈蒙德说,“我们乐观地认为,相同的关系将在更大的磁场上保持更大的尺寸。”

未来的实验计划在威斯康星大学麦迪逊分校的无螺线管球形托卡马克URANIA上进行。新实验将用两个独立操作的瞬态CHI电极测试等离子体的启动 - 这种配置可以为优化有希望的系统提供更大的灵活性。

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