Physiker verbessern die Methode zur Gestaltung von Fusionsexperimenten

Anonim

"Messen Sie zweimal, schneiden Sie einmal" ist ein Sprichwort eines alten Zimmermanns - eine Erinnerung, dass sorgfältige Planung auf lange Sicht Zeit und Material sparen kann.

Das Konzept gilt auch für das Design von Stellaratoren, bei denen es sich um komplexe Kernfusionsexperimente handelt, die das Potential der Fusion als Energiequelle untersuchen sollen. Stellaratoren arbeiten, indem sie einen Ring aus heißem Plasma in ein präzise geformtes Magnetfeld einspannen, das von externen elektromagnetischen Spulen erzeugt wird. Wenn das Plasma mehrere Millionen Grad erreicht - so heiß wie das Innere der Sonne - beginnen die Atomkerne miteinander zu verschmelzen, wodurch enorme Mengen an Energie freigesetzt werden.

Vor dem Drehen eines einzigen Bolzens, um eines dieser seltenen und teuren Geräte zu bauen, erstellen Ingenieure mit einer Reihe von Algorithmen genaue Pläne. Eine große Vielfalt von Spulenformen kann jedoch alle das gleiche Magnetfeld erzeugen, wodurch dem Designprozess Komplexität hinzugefügt wird. Bis jetzt haben nur wenige Forscher untersucht, wie man unter allen möglichen Spulenformen für einen bestimmten Stellarator den besten auswählt.

Der Physiker der University of Maryland, Matt Landreman, hat eine der wichtigsten Software-Tools für die Entwicklung von Stellaratoren überarbeitet. Das neue Verfahren ist besser darin, Kompromisse zwischen der idealen Magnetfeldform und möglichen Spulenformen auszugleichen, was zu Designs mit mehr Raum zwischen den Spulen führt. Dieser zusätzliche Platz ermöglicht einen besseren Zugang für Reparaturen und mehr Orte für die Installation von Sensoren. Landremans neue Methode wird in einer Veröffentlichung vom 13. Februar 2017 in der Zeitschrift Nuclear Fusion beschrieben .

"Anstatt nur die Magnetfeldform zu optimieren, berücksichtigt diese neue Methode die Komplexität der Spulenformen gleichzeitig. Es gibt also einen kleinen Kompromiss", sagte Landreman, wissenschaftlicher Mitarbeiter am UMD-Institut für Forschung in Elektronik und angewandter Physik (IREAP) und alleiniger Autor des Forschungspapiers. "Es ist ein bisschen wie ein Auto zu kaufen. Du magst das billigste Auto, aber du willst auch das sicherste Auto. Beide Features können uneins sein, also musst du einen Weg finden, dich in der Mitte zu treffen."

Die Forscher nutzten die frühere Methode, die 1987 als Neumann-Solver für Felder mit externen Spulen (NESCOIL) bezeichnet wurde, um viele der heute in Betrieb befindlichen Stellaratoren zu konstruieren - einschließlich des Wendelstein 7-X (W7-X). Der größte Stellarator der Welt, W7-X, wurde 2015 am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland in Betrieb genommen.

"Die meisten Designs, einschließlich W7-X, begannen mit einem speziell geformten Magnetfeld, um das Plasma gut einzugrenzen. Dann haben die Designer die Spulen so geformt, dass sie dieses Magnetfeld erzeugen", erklärte Landreman. "Aber diese Methode erforderte typischerweise eine Menge Versuch und Irrtum mit den Spulenentwurfswerkzeugen, um zu vermeiden, dass Spulen zu nahe beieinander liegen, wodurch sie unbrauchbar werden oder zu wenig Platz für den Zugang zur Plasmakammer für Wartung lassen."

Landremans neue Methode, die er Regularized NESCOIL oder kurz REGCOIL nennt, löst dies, indem er das Problem der Spulenabstände des Stellarator-Designs in Verbindung mit der Formung des Magnetfelds selbst anpackt. Das Ergebnis, sagte Landreman, ist ein schneller, robuster Prozess, der beim ersten Versuch bessere Spulenformen ergibt.

Modellierungstests, die von Landreman durchgeführt wurden, legen nahe, dass die von REGCOIL hergestellten Designs heißes Plasma in einer wünschenswerten Form einschließen, während die minimalen Abstände zwischen den Spulen signifikant erhöht werden.

"In der Mathematik würden wir das Stellarator-Spulen-Design als ein" schlecht gestelltes Problem "bezeichnen, was bedeutet, dass es viele mögliche Lösungen gibt. Die beste Lösung zu finden hängt stark davon ab, das Problem richtig zu stellen", sagte Landreman. "REGCOIL macht genau das, indem es die Spulenformen so vereinfacht, dass das Problem sehr effizient gelöst werden kann."

Die Entwicklung der Kernfusion als praktikable Energiequelle bleibt weit in die Zukunft hinein. Aber Innovationen wie die neue Methode von Landreman werden dazu beitragen, die Kosten und die Zeit zu senken, die für den Bau neuer Stellaratoren für Forschung und schließlich praktische Anwendungen zur Energieerzeugung erforderlich sind.

"Dieser Bereich befindet sich noch in der Grundlagenforschung und jedes neue Design ist einzigartig", sagte Landreman. "Mit diesen inkompatiblen Funktionen wird es immer wieder unterschiedliche Punkte geben, an denen Sie einen Kompromiss schließen können. Mit der REGCOIL-Methode können Ingenieure viele verschiedene Punkte in diesem Spektrum untersuchen und modellieren."

Die Forschungsarbeit, "Eine verbesserte aktuelle Potenzialmethode für die schnelle Berechnung von Stellarator-Spulenformen", Matt Landreman, wurde am 13. Februar 2017 in der Zeitschrift Nuclear Fusion veröffentlicht .

menu
menu