|
Открыта дверь исследований в области новой физики
|
|
|
|
Впервые ученые провели эксперимент по термоядерному синтезу с использованием постоянных магнитов - метод, который может показать простой способ создания устройств будущего с меньшими затратами и позволит исследователям протестировать новые концепции для будущих термоядерных электростанций. Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США (DOE) объединили многолетний опыт в области инженерии, вычислений и теоретической физики, чтобы разработать стелларатор нового типа - хитроумную машину, которая удерживает плазму, электрически заряженное четвертое состояние вещества, чтобы использовать процесс термоядерного синтеза, который приводит в действие ядерный реактор. солнце и звезды и потенциально генерируют чистую электроэнергию.
|
|
|
|
"Использование постоянных магнитов - это совершенно новый способ конструирования стеллараторов", - сказал Тони Цянь, аспирант Принстонской программы по физике плазмы, которая базируется в PPPL. Цянь был ведущим автором статей, опубликованных в журнале Journal of Plasma Physics and Nuclear Fusion, в которых подробно описываются теория и технология устройства, известного как MUSE. "Этот метод позволяет нам быстро тестировать новые идеи по удержанию плазмы и легко создавать новые устройства". Стеллараторы, как правило, основаны на сложных электромагнитах, которые имеют сложную форму и создают свои магнитные поля с помощью электрического тока. Такие электромагниты должны быть изготовлены с высокой точностью, с минимальным правом на ошибку, что увеличивает их стоимость. Однако постоянным магнитам, как и магнитам, которые крепятся к дверцам холодильников, не требуется электрический ток для создания их полей. Их также можно заказать у промышленных поставщиков и затем встроить в напечатанную на 3D-принтере оболочку вокруг вакуумной емкости устройства, в которой находится плазма.
|
|
|
"MUSE в основном сконструирован из имеющихся в продаже деталей", - сказал Майкл Зарнсторфф, старший физик-исследователь PPPL и главный исследователь проекта. "Работая с компаниями, производящими 3D-печать, и поставщиками магнитов, мы можем ходить по магазинам и покупать необходимую нам точность вместо того, чтобы изготавливать ее самостоятельно". Идея о том, что постоянные магниты могут стать основой для создания новой, более доступной по цене разновидности стеллараторов, пришла к компании Zarnstorff в 2014 году. "Я понял, что даже если бы они были расположены рядом с другими магнитами, редкоземельные постоянные магниты могли бы генерировать и поддерживать магнитные поля, необходимые для удержания плазмы, чтобы могли происходить термоядерные реакции, - сказал Зарнсторфф, - и именно это свойство позволяет использовать этот метод".
|
|
|
|
Стеллараторы, изобретенные более 70 лет назад основателем PPPL Лайманом Спитцером, являются лишь одной из концепций термоядерных установок. Другой вариант - токамак в форме пончика или яблока с сердцевиной, подобный национальному эксперименту PPPL по модернизации сферического тора, который удерживает плазму с помощью относительно простых магнитов. На протяжении десятилетий такая конструкция была предпочтительной для ученых по всему миру из-за того, насколько хорошо эти устройства удерживают плазму. Однако токамаки также полагаются на магнитные поля, создаваемые электрическими токами, проходящими через середину плазмы, которые создают нестабильность, препятствующую реакциям синтеза. Однако стеллараторы могут работать без таких токов и, следовательно, могут работать неопределенное время. Но их сложные магниты, которые трудно спроектировать и изготовить, в течение многих лет означали, что стеллараторы не были экономичным или практичным вариантом для термоядерных электростанций.
|
|
|
|
Вот почему успех MUSE в демонстрации того, что стеллараторы могут работать с помощью простых магнитов, так важен. "Обычные стеллараторные магниты очень сложны в обработке, потому что их нужно делать очень точно", - говорит Амелия Чамблисс, аспирантка факультета прикладной физики и математики Колумбийского университета, которая несколько лет назад помогала проектировать MUSE во время стажировки в научной лаборатории PPPL. "Итак, идея о том, что мы можем использовать множество отдельных магнитов для выполнения этой работы, очень интересна. Это гораздо более простая инженерная задача". Помимо того, что MUSE является инженерным прорывом, он также обладает теоретическим свойством, известным как квазисимметрия, в большей степени, чем любой другой стелларатор до этого. Это также первое устройство, изготовленное в любой точке мира, которое было разработано специально для обеспечения квазисимметрии, известной как квазиаксисимметрия.
|
|
|
|
Разработанная физиком Алленом Бузером из PPPL в начале 1980-х годов, квазисимметрия означает, что, хотя форма магнитного поля внутри стелларатора может отличаться от физической формы стелларатора, напряженность магнитного поля вокруг устройства одинакова, что обеспечивает хорошее удержание плазмы и повышает вероятность протекания термоядерных реакций. произойдет. "На самом деле, квазисимметричная оптимизация MUSE по меньшей мере в 100 раз лучше, чем у любого существующего стелларатора", - сказал Зарнсторфф. "Тот факт, что мы смогли спроектировать и построить этот стелларатор, является настоящим достижением", - сказал Цянь.
|
|
|
|
В будущем команда PPPL планирует провести серию экспериментов, чтобы определить точную природу квазисимметрии MUSE и, таким образом, выяснить, насколько хорошо устройство предотвращает перемещение горячих частиц из центра плазмы к краю, что затрудняет термоядерные реакции. Эти методы будут включать в себя более точное картирование магнитных полей и измерение того, как замедляется вращение плазмы, что зависит от квазисимметрии устройства. MUSE демонстрирует, какие инновации возможны в национальной лаборатории США. "Для меня самое важное в MUSE - это то, что он представляет собой творческий подход к решению сложной проблемы", - сказал Чамблисс. "В нем используется множество непредвзятых и инновационных подходов для решения давних проблем stellarator. Пока сообщество продолжает мыслить таким гибким образом, мы будем в хорошей форме".
|
|
|
|
Источник
|
