Entdeckt: Optimale Magnetfelder zur Unterdrückung von Instabilitäten in Tokamaks

Anonim

Fusion, die Kraft, die die Sonne und die Sterne antreibt, produziert enorme Mengen an Energie. Wissenschaftler hier auf der Erde versuchen, diesen Prozess zu replizieren, der Lichtelemente in Form von heißem, geladenem Plasma aus freien Elektronen und Atomkernen zusammenführt, um eine nahezu unerschöpfliche Menge an Strom zur Erzeugung von Elektrizität in einem so genannten "Stern" zu erzeugen ein Glas. "

Ein langwieriges Rätsel bei der Bemühung, die Kraft der Fusion auf der Erde zu erfassen, ist, wie man eine übliche Instabilität, die im Plasma auftritt, die sog. Edge Localized Modes (ELMs), verringert oder eliminiert. So wie die Sonne enorme Energiestöße in Form von Sonneneruptionen freisetzt, können flackernde Ausbrüche von ELMs in die Wände von Donut-förmigen Tokamaks knallen, die Fusionsreaktionen beherbergen und möglicherweise die Reaktorwände beschädigen.

Ripples steuern neue Bursts

Um diese Ausbrüche zu kontrollieren, stören Wissenschaftler das Plasma mit kleinen magnetischen Wellen, so genannten resonant magnetic pertubations (RMPs), die die glatte Donut-Form des plasma-freisetzenden Überdrucks verzerren, wodurch ELMs verringert oder verhindert werden. Der schwierige Teil erzeugt genau die richtige Menge dieser 3D-Verzerrung, um die ELMs zu eliminieren, ohne andere Instabilitäten auszulösen und zu viel Energie freizusetzen, was im schlimmsten Fall zu einer größeren Störung führen kann, die das Plasma beendet.

Erschwerend kommt hinzu, dass das Plasma praktisch unbegrenzt magnetisch verzerrt werden kann, so dass sich genau die richtige Verzerrung als außergewöhnliche Herausforderung erweist. Aber nicht mehr.

Der Physiker Jong-Kyu Park vom Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) hat in Zusammenarbeit mit einem Team von Mitarbeitern aus den USA und dem National Fusion Research Institute (NFRI) in Korea das gesamte Set erfolgreich vorhergesagt von nützlichen 3D-Verzerrungen zur Steuerung von ELMs, ohne dass es zu weiteren Problemen kommt. Die Forscher validierten diese Vorhersagen auf der Korean Supraleitenden Tokamak Advanced Research (KSTAR) - Anlage, einem der weltweit modernsten supraleitenden Tokamaks, in Daejeon, Südkorea.

KSTAR ideal für Tests

KSTAR war ideal zum Testen der Vorhersagen wegen seiner fortschrittlichen Magnetsteuerung, um präzise Verzerrungen in der nahezu perfekten, Doughnut-förmigen Symmetrie des Plasmas zu erzeugen. Die Ermittlung der günstigsten Verzerrungen, die weniger als ein Prozent aller möglichen Verzerrungen innerhalb von KSTAR ausmachen, wäre ohne das vom Forscherteam entwickelte Vorhersagemodell nahezu unmöglich gewesen.

Das Ergebnis war eine bahnbrechende Errungenschaft. "Wir zeigen zum ersten Mal das volle 3-D-Feld-Betriebsfenster in einem Tokamak, um ELMs zu unterdrücken, ohne Kerninstabilitäten oder zu starke Degradierung zu verursachen", sagte Park, dessen Paper mit 14 Coautoren aus den USA und Südkorea- ist in Nature Physics veröffentlicht. "Lange Zeit dachten wir, es wäre zu rechenaufwendig, alle nützlichen sym- metriebrechenden Felder zu identifizieren, aber unsere Arbeit demonstriert nun ein einfaches Verfahren, um die Menge aller solcher Konfigurationen zu identifizieren."

Die Forscher reduzierten die Komplexität der Berechnungen, als sie erkannten, dass die Anzahl der Möglichkeiten, die das Plasma verfälschen kann, tatsächlich viel geringer ist als die der möglichen 3-D-Felder, die auf das Plasma angewendet werden können. Durch die Rückwärtsverarbeitung von Verzerrungen zu 3-D-Feldern berechneten die Autoren die effektivsten Felder zum Eliminieren von ELMs. Die KSTAR-Experimente bestätigten die Vorhersagen mit bemerkenswerter Genauigkeit.

Erkenntnisse geben neues Vertrauen

Die Ergebnisse von KSTAR geben neues Vertrauen in die Fähigkeit, optimale 3D-Felder für ITER, den internationalen Tokamak im Bau in Frankreich, vorherzusagen, der spezielle Magnete zur Erzeugung von 3-D-Verzerrungen zur Steuerung von ELMs einsetzen will. Eine solche Kontrolle wird für den ITER von entscheidender Bedeutung sein, dessen Ziel es ist, 10 Mal mehr Energie zu produzieren, als zur Beheizung des Plasmas erforderlich ist. "Die Methode und das Prinzip dieser Studie können die Effizienz und Genauigkeit des komplizierten 3D-Optimierungsprozesses in Tokamaks erheblich verbessern", so die Autoren des Artikels.

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