Výskumníci použili vlny Alfvén na zoslabenie utekajúcich elektrónov v tokamakových fúznych zariadeniach, čo má zásadné dôsledky pre budúce projekty jadrovej syntézy vrátane ITER vo Francúzsku.

Vedci pod vedením Zhang Liu z Princetonského laboratória fyziky plazmy (PPPL) odhalili sľubný prístup na zmiernenie poškodenia uniknutých elektrónov spôsobených turbulenciou v tokamakových fúznych zariadeniach. Kľúčom k tomuto prístupu bolo využitie jedinečného žánru plazma Vlna pomenovaná po astrofyzikovi Hansovi Alvvénovi, ktorý v roku 1970 získal Nobelovu cenu.

O vlnách Alfvén je už dlho známe, že uvoľňujú zadržiavanie vysokoenergetických častíc v tokamakových reaktoroch, čo umožňuje niektorým uniknúť a znižuje účinnosť zariadení v tvare šišky. Nové zistenia Zhang Liu a výskumníkov z General Atomics, Columbia University a PPPL však odhalili užitočné výsledky v prípade utekajúcich elektrónov.

Skvelý kruhový proces

Vedci zistili, že takéto uvoľnenie by mohlo rozptýliť alebo rozptýliť vysokoenergetické elektróny skôr, ako sa zmenia na lavíny, ktoré poškodia komponenty tokamaku. Tento proces je určený ako pozoruhodne kruhový: utečenci vytvárajú nestability, ktoré spôsobujú vznik vĺn Alfvén, ktoré bránia vzniku lavíny.

„Tieto zistenia poskytujú komplexné vysvetlenie pre priame pozorovanie Alfvénových vĺn v experimentoch s inaktiváciou,“ povedal Liu, výskumník z PPPL a hlavný autor článku, ktorý podrobne opisuje zistenia. Fyzické kontrolné listy. „Výsledky demonštrujú jasné spojenie medzi týmito vzormi a generovaním utekajúcich elektrónov.“

Chang Liu. Poďakovanie: Elle Starkman

Výskumníci odvodili teóriu pozorovaného okruhu týchto interakcií. Výsledky dobre zapadajú do experimentov utečencov vykonaných v Národnom fúznom zariadení DIII-D, oddelení tokamaku pre energetiku, ktoré prevádzkuje General Atomics pre Úrad pre vedu. Testy teórie sa tiež ukázali pozitívne na superpočítači Summit umiestnenom v národnom laboratóriu Oak Ridge.

„Práca Zhang Liu ukazuje, že veľkosť skupiny unikajúcich elektrónov môže byť riadená nestabilitou poháňanou samotnými unikajúcimi elektrónmi,“ povedal Felix Parra Diaz, vedúci teórie v PPPL. „Jeho výskum je veľmi vzrušujúci, pretože môže viesť k návrhom tokamaku, ktoré prirodzene zmierňujú poškodenie elektrónov prostredníctvom prirodzenej nestability.“

Tepelné kalenie

Turbulencia začína prudkým poklesom teplôt v miliónoch stupňov potrebných pre fúzne reakcie. Tieto kvapky, nazývané „tepelné ochladzovanie“, uvoľňujú zosuvné lavíny podobné zosuvom pôdy vyvolaným zemetrasením. „Ovládanie turbulencií je hlavnou výzvou pre úspech tokamaku,“ povedal Liu.

Fúzne reakcie kombinujú ľahké prvky vo forme plazmy – horúci, nabitý stav hmoty zloženej z voľných elektrónov a atómových jadier nazývaných ióny – na uvoľnenie masívnej energie, ktorá poháňa slnko a hviezdy. Zmiernenie rizika turbulencie a úniku elektrónov by tak poskytlo jedinečný prínos pre tokamak zariadenia určené na reprodukciu procesu.

Zmiernenie rizika turbulencie a úniku elektrónov by tak poskytlo jedinečný prínos pre tokamak zariadenia určené na reprodukciu procesu.

Energia jadrovej syntézy môže byť kľúčovým zdrojom udržateľnej energie, ktorý dopĺňa obnoviteľné zdroje energie. Najväčší fúzny experiment na svete, ITER, sa teraz buduje vo Francúzsku. Kredit: ITER

Nový prístup by mohol mať dôsledky na napredovanie projektu ITER, medzinárodného tokamaku vo výstavbe vo Francúzsku, ktorý má demonštrovať praktické využitie energie jadrovej syntézy, a mohol by predstavovať významný krok vo vývoji elektrární na báze jadrovej syntézy.

„Naše zistenia pripravujú pôdu pre vytvorenie nových stratégií na zmiernenie utekajúcich elektrónov, “ povedal Liu. Teraz sú vo fáze plánovania experimentálne kampane, v ktorých sa tri výskumné centrá snažia ďalej rozvíjať úžasné výsledky.