Ключовото откритие сигнализира за огромен скок напред в развитието на термоядрените енергийни реактори

Изследователите са използвали вълните на Alfvén, за да отслабят избягалите електрони в термоядрените устройства на токамак, осигурявайки големи последици за бъдещи енергийни проекти за термоядрен синтез, включително ITER във Франция.

Учени, ръководени от Джан Лиу от Лабораторията по физика на плазмата на Принстън (PPPL) разкри обещаващ подход за смекчаване на щетите от избягалите електрони, причинени от турбуленция в устройствата за синтез на токамак. Ключът към този подход беше използването на уникален жанр плазма Вълна, кръстена на астрофизика Ханс Алвен, спечелил Нобелова награда през 1970 г.

Отдавна е известно, че вълните на Alfvén разхлабват задържането на високоенергийни частици в реакторите на токамак, позволявайки на някои да избягат и намаляват ефективността на устройствата с форма на поничка. Въпреки това, новите открития на Zhang Liu и изследователи от General Atomics, Columbia University и PPPL разкриха полезни резултати в случай на избягали електрони.

Страхотен кръгов процес

Учените установиха, че подобно разхлабване може да разпръсне или разпръсне високоенергийни електрони, преди да се превърнат в лавини, които да повредят компонентите на токамака. Този процес се определя като забележително кръгъл: бягащите създават нестабилности, които пораждат вълни на Алфвен, които предотвратяват образуването на лавината.

„Тези констатации предоставят изчерпателно обяснение за директното наблюдение на вълните на Алфвен в експерименти за инактивиране“, каза Лиу, изследовател в PPPL и водещ автор на статия, в която се описват констатациите. Писма за физически преглед. „Резултатите демонстрират ясна връзка между тези модели и генерирането на избягали електрони.“

Чанг Лиу. Кредит: Ел Старкман

Изследователите извеждат теория за наблюдаваната верига на тези взаимодействия. Резултатите съвпадат добре с избягалите в експерименти, проведени в National Fusion Facility DIII-D, отдел за енергиен токамак, управляван от General Atomics за Службата на науката. Тестовете на теорията също се оказаха положителни на суперкомпютъра Summit, разположен в Националната лаборатория в Оук Ридж.

„Работата на Zhang Liu показва, че размерът на групата от избягали електрони може да се контролира от нестабилности, задвижвани от самите избягали електрони“, каза Феликс Пара Диас, ръководител на теорията в PPPL. „Неговото изследване е много вълнуващо, защото може да доведе до проекти на токамак, които естествено смекчават увреждането на бягащите електрони чрез присъща нестабилност.“

Термично закаляване

Турбуленцията започва с рязък спад на температурите от милион градуса, необходими за реакциите на синтез. Тези капки, наречени „термично охлаждане“, освобождават свлачищни лавини, подобни на свлачища, предизвикани от земетресения. „Контролирането на турбуленцията е голямо предизвикателство за успеха на токамака“, каза Лиу.

Реакциите на синтез комбинират леки елементи под формата на плазма – горещото, заредено състояние на материята, съставено от свободни електрони и атомни ядра, наречени йони – за освобождаване на масивната енергия, която захранва слънцето и звездите. Намаляването на риска от турбуленция и избягали електрони би осигурило уникална полза за съоръженията на токамак, предназначени да възпроизвеждат процеса.

Намаляването на риска от турбуленция и избягали електрони би осигурило уникална полза за съоръженията на токамак, предназначени да възпроизвеждат процеса.

Енергията от ядрен синтез може да бъде основен източник на устойчива енергия, който да допълва възобновяемите енергийни източници. Най-големият в света термоядрен експеримент ITER сега се изгражда във Франция. Кредит: ITER

Новият подход може да има последици за напредъка на проекта ITER, международен токамак, който се изгражда във Франция, за да демонстрира практическото приложение на термоядрената енергия и може да представлява важна стъпка в развитието на термоядрени електроцентрали.

„Нашите открития проправят пътя за създаване на нови стратегии за смекчаване на избягалите електрони“, каза Лиу. Сега в етап на планиране има експериментални кампании, в които трите изследователски центъра се стремят да доразвият удивителните резултати.