改進(jìn)控制地球上聚變能量的磁力瓶

利用磁場在地球上凝固和控制太陽和恒星的聚變反應(yīng)的科學(xué)家必須糾正包含反應(yīng)的場的形狀中的任何錯(cuò)誤。這種誤差會(huì)產(chǎn)生與甜甜圈托卡馬克聚變?cè)O(shè)施中場的對(duì)稱形式的偏差，這會(huì)對(duì)對(duì)反應(yīng)提供燃料的熱的帶電等離子氣體的穩(wěn)定性和限制產(chǎn)生破壞性影響。

由能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在球形圓環(huán)實(shí)驗(yàn)升級(jí)(NSTX-U)的最初10周運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了明確的證據(jù)表明存在誤差場。 ，實(shí)驗(yàn)室的旗艦融合設(shè)施。他們使用的詳盡檢測方法可以為未來的融合設(shè)備(如ITER，法國正在建設(shè)的大型國際聚變?cè)O(shè)施)提供糾錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以展示受控聚變能的實(shí)用性。

融合太陽和恒星

融合，驅(qū)動(dòng)太陽和恒星的能量，是等離子體形式的輕元素的融合 - 由自由電子和原子核組成的熱的帶電狀態(tài) - 產(chǎn)生大量能量。世界各地的科學(xué)家正在尋求在地球上復(fù)制聚變，以獲得幾乎無窮無盡的電力供應(yīng)。

在PPPL，研究人員將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，磁鐵位置的詳細(xì)測量和等離子體響應(yīng)的計(jì)算機(jī)建模相結(jié)合，以找到NSTX-U誤差場的來源。分析揭示了一系列小誤差場 - 這是托卡馬克不能完全對(duì)稱的事實(shí)的必然結(jié)果 - 但大多數(shù)都對(duì)等離子體具有容易糾正的影響。然而，一個(gè)主要的發(fā)現(xiàn)突出：磁性線圈的輕微錯(cuò)位沿著托卡馬克的中心向下延伸并產(chǎn)生水平地或“環(huán)形地”在容器內(nèi)部周圍纏繞的區(qū)域。

線索科學(xué)家尋求

這種錯(cuò)位是科學(xué)家們尋求的線索。“我們尋找對(duì)等離子體影響最大的錯(cuò)誤來源，”該研究的第一作者Nate Ferraro表示，該研究報(bào)告了核聚變中的搜索和發(fā)現(xiàn)。“我們發(fā)現(xiàn)的是中心疊層線圈與封閉它們的外殼的小錯(cuò)位。”

輕微的未對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生了在等離子體的行為中產(chǎn)生共振的誤差。其中的問題是制動(dòng)和鎖定效應(yīng)，使等離子體邊緣不會(huì)旋轉(zhuǎn)，并增加了托卡馬克內(nèi)部等離子體部件的局部加熱。

在線圈發(fā)生故障后，托卡馬克停止進(jìn)行維修后發(fā)現(xiàn)不對(duì)中。研究人員說，這些不對(duì)中的結(jié)果現(xiàn)在被用來“推動(dòng)NSTX-U在重建時(shí)的新工程公差要求”。這些要求要求中心堆疊和包圍它的外殼之間的更嚴(yán)格的公差。更嚴(yán)格的公差將使兩個(gè)部件的最佳對(duì)準(zhǔn)的偏差從沿中心疊層的垂直軸的小于兩百分之一英寸縮小。

這組作者說，調(diào)整可以減輕對(duì)局部加熱增加的擔(dān)憂，并減少磁力制動(dòng)和鎖定。這樣的發(fā)展將由此改善等離子體的穩(wěn)定性。“每個(gè)托卡馬克都關(guān)注錯(cuò)誤領(lǐng)域，”費(fèi)拉羅說。“我們要做的是優(yōu)化NSTX-U。”

與實(shí)驗(yàn)合作

該研究結(jié)果表明，PPPL理論部與NSTX-U實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，理論主管Amitava Bhattacharjee說。“這是NSTX-U理論伙伴關(guān)系計(jì)劃的一個(gè)很好的例子，該計(jì)劃對(duì)PPPL的NSTX-U和理論部門都有益，并且即使在NSTX-U恢復(fù)時(shí)也會(huì)繼續(xù)，”Bhattacharjee說。

研究小組的成員包括來自PPPL，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室，通用原子學(xué)和橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。能源部科學(xué)辦公室資助了這項(xiàng)工作。