مصرف انرژی از پلاسما نیاز به درک دقیق از رفتار آن در طول سنتز گرم، ضخیم و پایدار باشد. یک مدل نظری جدید برای لبه پلاسما که می‌تواند ناپایدار و برآمده شود، چشم‌انداز قدرت همجوشی تجاری را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.
گفت: «این مدل به فکر تثبیت لبه پلاسما برای اشکال مختلف توکامک است جیسون پاریسی، فیزیکدان تحقیقاتی کارکنان در PPPL. پاریسی نویسنده اصلی سه مقاله در توصیف مدل منتشر شده در مجلات است سوخت هسته ای و فیزیک پلاسما. این کاغذ اولیه روی قسمتی از پلاسما به نام پایه که در لبه است تمرکز می کند. پایه مستعد ناپایداری است زیرا دما و فشار پلاسما اغلب در این ناحیه به شدت کاهش می یابد.
مدل جدید قابل توجه است زیرا اولین مدلی است که با رفتار پایه که در ایالات متحده مشاهده شد مطابقت دارد وزارت نیرواز (DOE) آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون (PPPL) آزمایش ملی کروی چنبره (NSTX). در حالی که متعارف توکامکس شکلی شبیه دونات دارند، NSTX یکی از چندین توکامک است که بیشتر شبیه یک سیب بدون هسته است. تفاوت در نسبت توکامک بر پلاسما و همانطور که مدل نشان می دهد، روی پایه تأثیر می گذارد.
ناپایداری حباب
پاریسی، همراه با تیمی از دانشمندان، محدودیت‌های پایه‌ها را بررسی کردند و بررسی کردند که قبل از وقوع ناپایداری، چه مقدار فشار می‌تواند به پلاسما در یک راکتور همجوشی وارد شود. به طور خاص، آنها اختلالات پایه به نام ناپایداری حباب را بررسی کردند: برآمدگی های پلاسما که هنگام فشرده شدن مانند انتهای یک بالن بلند بیرون می آیند.
پریسی گفت: «این مدل بسط مدلی است که مردم شاید 10 سال است که در این زمینه از آن استفاده می‌کنند، اما ما محاسبه پایداری حباب را بسیار پیچیده‌تر کرده‌ایم».
برای توسعه مدل خود، دانشمندان به رابطه بین اندازه گیری های پایه – ارتفاع و عرض – و ناپایداری بالون نگاه کردند. پاریسی گفت که مدل جدید در اولین تلاش مناسب است. من تعجب کردم که چقدر خوب کار می کند. ما سعی کردیم مدل را تجزیه کنیم تا مطمئن شویم که دقیق است، اما به خوبی با داده ها مطابقت دارد.»
توسعه مدل EPED
مدل موجود، که به عنوان EPED شناخته می شود، برای توکامک های دونات شکل کار می کند، اما برای انواع کروی کار نمی کند. پاریسی گفت: “ما تصمیم گرفتیم آن را امتحان کنیم و فقط با تغییر یک قسمت از EPED، اکنون واقعاً خوب کار می کند.” نتایج همچنین تصویر واضح تری از تضاد بین دو طرح توکامک به محققان می دهد.
او گفت: «مطمئناً تفاوت زیادی بین حد پایداری شکل سیب و توکامک شکل استاندارد وجود دارد و اکنون مدل ما می‌تواند تا حدودی توضیح دهد که چرا این تفاوت وجود دارد. این یافته ها ممکن است به به حداقل رساندن اختلالات پلاسما کمک کند.
توکامک ها برای افزایش فشار و دمای پلاسما طراحی شده اند، اما بی ثباتی می تواند این تلاش ها را خنثی کند. مثلاً اگر پلاسما بیرون زده و دیواره های راکتور را لمس کند، می تواند به مرور زمان دیواره ها را فرسایش دهد. ناپایداری ها همچنین می توانند انرژی را از پلاسما ساطع کنند. دانستن اینکه پایه قبل از ظهور ناپایداری ها چقدر شیب دار می تواند به محققان کمک کند تا راه هایی را برای بهینه سازی پلاسما برای واکنش های همجوشی بر اساس نسبت های توکامک بیابند.
اگرچه او اضافه کرد که هنوز مشخص نیست که کدام شکل سودمندتر است، اما این مدل آزمایش‌های دیگری را پیشنهاد می‌کند که سعی می‌کنند از جنبه‌های مثبت شکل سیب بهره‌برداری کنند و ببینند چقدر می‌توانند مزایایی داشته باشند.
در هسته خود، مدل جدید درک ما از پایه‌ها را بهبود می‌بخشد و دانشمندان را به هدف بزرگ‌تر طراحی یک راکتور همجوشی که انرژی بیشتری نسبت به مصرف انرژی تولید می‌کند، نزدیک‌تر می‌کند.
فرم پلاسما و اندازه گیری پایه
از پاریسی کاغذ دوم در این سری بررسی می‌کند که چگونه مدل EPED با ارتفاع و عرض پایه برای شکل‌های مختلف پلاسما هماهنگ است.
“فشار همجوشی پایه شما و بنابراین قدرت شما به ارتفاع پایه شما بسیار حساس است. بنابراین اگر می‌خواهیم اشکال مختلف دستگاه‌های همجوشی آینده را بررسی کنیم، قطعاً می‌خواهیم مطمئن شویم که پیش‌بینی‌های ما عملی می‌شوند.»
پاریسی با داده های قدیمی تخلیه های آزمایشی در NSTX شروع کرد و سپس شکل لبه پلاسما را اصلاح کرد. او دریافت که تغییر شکل تأثیر بسیار زیادی بر نسبت عرض به ارتفاع پایه دارد. علاوه بر این، پاریسی دریافت که برخی از اشکال می توانند به چندین پایه ممکن منجر شوند – به ویژه در توکاماک های NSTX شکل و جانشین آن، که در حال حاضر در حال ارتقا هستند. NSTX-U. این به کسانی که از فیوژن استفاده می کنند، می تواند بین، مثلاً یک پایه شیب دار یا کم عمق، انتخاب کنند.
پریسی گفت: زمانی که مردم این مدل‌های پایه را ارائه کردند، سعی داشتند عرض و ارتفاع پایه را پیش‌بینی کنند، زیرا این می‌تواند مقدار نیروی همجوشی تولید شده را تغییر دهد و ما می‌خواهیم دقیق باشیم. اما روشی که در حال حاضر مدل‌ها ساخته می‌شوند، فقط پایداری پلاسما را در نظر می‌گیرند.»
گرمایش، سوخت و پایه ها
گرمایش و سوخت از دیگر عوامل مهم پاریسی است کاغذ سوم کاوش به طور خاص، پاریسی به پایه های خاصی نگاه کرد و میزان گرمایش و سوخت مورد نیاز برای دستیابی به آن را با شکل خاصی از پلاسما تعیین کرد. برای مثال، یک پایه شیب دار معمولاً به گرمایش بسیار بیشتری نسبت به یک پایه کم عمق نیاز دارد.
این مقاله همچنین به بررسی این موضوع می‌پردازد که چگونه جریان برشی، که هنگام حرکت ذرات مجاور با سرعت‌های جریان متفاوت اتفاق می‌افتد، می‌تواند بر ارتفاع و عرض پایه تأثیر بگذارد. آزمایش‌های گذشته در NSTX نشان داده‌اند که وقتی قسمتی از داخل ظرف با لیتیوم پوشانده شود و برش جریان قوی باشد، پایه سه تا چهار برابر عریض‌تر از زمانی است که لیتیوم به آن اضافه نشود. پاریسی گفت: “به نظر می رسد که ممکن است به این پایه اجازه دهد تا به رشد خود ادامه دهد.” اگر می‌توانستید پلاسما را در یک توکاماک داشته باشید که تماماً روی یک پایه است، و اگر شیب‌ها واقعاً تند بودند، فشار هسته واقعاً بالا و قدرت همجوشی واقعاً بالایی خواهید داشت.»
درک متغیرهای دخیل در دستیابی به یک پلاسمای پایدار و پرقدرت، محققان را به هدف نهایی خود یعنی تجاری‌سازی توان همجوشی نزدیک‌تر می‌کند.
این سه مقاله برای درک فیزیک توکامک‌های کروی و چگونگی سازماندهی فشار پلاسما در این ساختار، جایی که به شدت در لبه افزایش می‌یابد و فشار بالایی را در هسته حفظ می‌کند، بسیار مهم هستند. معاون مدیر تحقیقات NSTX-U و یکی از نویسندگان مقالات گفت: اگر ما این فرآیند را درک نکنیم، نمی‌توانیم با اطمینان به سمت دستگاه‌های آینده طراحی کنیم و این کار تا رسیدن به این اعتماد راه طولانی دارد. جک برکری.
پشتیبانی از این تحقیق توسط DOE تحت شماره های قرارداد DE-AC02-09CH11466، DE-SC0022270، DE-SC0022272، و DOE انجام شد. برنامه تحقیقات شغلی اولیه. نویسندگان مشترک این مقاله شامل محققانی از PPPL و شش موسسه همکار در ایالات متحده هستند
متصل
