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Freitag, März 29, 2024
NachrichtenValidierung von Modellen für Fusionskraftwerke der nächsten Generation

Validierung von Modellen für Fusionskraftwerke der nächsten Generation

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Fusionsreaktor
Jüngsten Simulationen und Analysen zufolge ist die Flaggschiff-Fusionsanlage des Princeton Plasma Physics Laboratory des United States Department of Energy (DOE) (PPPL) könnte als Modell für eine wirtschaftlich attraktive Fusionspilotanlage der nächsten Generation dienen. Die Pilotanlage könnte der nächste Schritt in den Vereinigten Staaten sein, um die Fusionskraft, die die Sonne und die Sterne auf der Erde antreibt, als sichere und saubere Energiequelle zur Energieerzeugung zu nutzen.


Die Fusionsgemeinschaft in den Vereinigten Staaten hat kürzlich auf dringende Anstrengungen gedrängt, um eine kostengünstige Pilotanlage zu entwickeln und zu bauen, die in den 2040er Jahren Strom erzeugen kann. Das PPPL-Flaggschiff, das National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), das derzeit repariert wird, verfügt über einzigartige Merkmale, die sein Design für diese Rolle geeignet machen. „Es geht darum zu projizieren, ob dieser Weg für eine kostengünstige Pilotanlage und darüber hinaus günstig ist“, sagte Walter Guttenfelder, leitender Physiker und Hauptautor einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie, in der die neuen Entdeckungen detailliert beschrieben werden Kernfusion.

Fusion erzeugt enorme Energie durch die Kombination von leichten Elementen wie Wasserstoff in Form von Plasma, der heiße, geladene Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen oder Ionen besteht. Plasma besteht zu 99 Prozent aus dem sichtbaren Universum und treibt Fusionsreaktionen an, die Wärme und Licht erzeugen, die das Leben auf der Erde erschaffen und erhalten.


Walter Guttenfelder PPPL NSTX U-Team

Der Physiker Walter Guttenfelder mit Zahlen aus dem Papier, das er mit PPPL-Forschern verfasst hat, darunter Mitglieder des NSTX-U-Teams und 23 Kooperationsinstitutionen weltweit. Kredit: Foto von Elle Starkman/PPPL Office of Communications; Collage von Kiran Sudarsanan

Das kugelförmige NSTX-U erzeugt Hochdruckplasmen, die für Fusionsreaktionen benötigt werden, in einer relativ kompakten und kostengünstigen Konfiguration. Die Betriebsfähigkeiten der Anlage sind gegenüber ihrem voraktualisierten Vorgänger stark verbessert. „Die Hauptmotivation für NSTX-U besteht darin, noch höhere Leistungen und höhere Magnetfelder zu erreichen, die Hochtemperaturplasmen unterstützen, um zu sehen, ob sich die zuvor beobachteten günstigen Trends fortsetzen“, sagte Guttenfelder.

Neuere Theorien, Analysen und Modelle des NSTX-U-Forschungsteams sagen voraus, dass viele dieser Trends in neuen NSTX-U-Experimenten demonstriert werden sollten. Zu den vorhergesagten Betriebsbedingungen für das NSTX-U gehören:

  • Plasma starten. Die Modellierung wurde entwickelt, um die Plasmainitiierung und den Hochlauf effizient zu optimieren, und sie wurde angewendet, um einer kugelförmigen Tokamak-Anlage im Vereinigten Königreich zu helfen, ihr erstes Plasma zu produzieren.
  • Den Plasmarand verstehen. Neue Modelle simulieren die Dynamik zwischen dem Rand des Plasmas und der Tokamak-Wand, die bestimmen kann, ob der Kern des Plasmas die 150 Millionen Grad erreichen wird, die für die Erzeugung von Fusionsreaktionen erforderlich sind.
  • Künstliche Intelligenz anwenden. KI-Maschinenlernen hat einen schnellen Weg zur Optimierung und Steuerung von Plasmabedingungen entwickelt, die den vorhergesagten Testzielen genau entsprechen.
  • Neuartige Techniken. Simulationen deuten auf viele neuartige Techniken zum Abschirmen von inneren NSTX-U-Komponenten vor Abwärmestößen aus Fusionsreaktionen hin. Zu diesen Konzepten gehört die Verwendung von verdampftem Lithium, um die Auswirkungen des Wärmeflusses zu reduzieren.
  • Stabile Leistung. Studien haben ergeben, dass ein Fenster für die NSTX-U-Leistung angesichts von Instabilitäten, die den Betrieb beeinträchtigen könnten, stabil bleiben kann.
  • Was man vermeiden sollte. Ein besseres Verständnis der zu vermeidenden Bedingungen ergibt sich aus der hervorragenden Übereinstimmung zwischen dem vorhergesagten Bereich instabiler Plasmen und einer großen experimentellen Datenbank.

Es wurden daher beträchtliche Fortschritte beim Verständnis und der Projektion erzielt, wie NSTX-U die Entwicklung der Fusionsenergie vorantreiben kann, die Kernfusion Papier sagt. „Der nächste Schritt“, sagte Guttenfelder, „besteht darin, zu sehen, ob neue Experimente bestätigen, was wir vorhersagen, und die Vorhersagen zu verfeinern, wenn dies nicht der Fall ist. Diese Schritte zusammen werden zuverlässigere Prognosen für zukünftige Geräte ermöglichen.“

Referenz: „NSTX-U-Theorie, Modellierung und Analyseergebnisse“ von W. Guttenfelder, DJ Battaglia, E. Belova, N. Bertelli, MD Boyer, CS Chang, A. Diallo, VN Duarte, F. Ebrahimi, ED Emdee, N Ferraro, E. Fredrickson, NN Gorelenkov, W. Heidbrink, Z. Ilhan, SM Kaye, E.-H. Kim, A. Kleiner, F. Laggner, M. Lampert, JB Lestz, C. Liu, D. Liu, T. Looby, N. Mandell, R. Maingi, JR Myra, S. Munaretto, M. Podestà, T. Rafiq, R. Raman, M. Reinke, Y. Ren, J. Ruiz Ruiz, F. Scotti, S. Shiraiwa, V. Soukhanovskii, P. Vail, ZR Wang, W. Wehner, AE White, RB White, BJQ Woods , J. Yang, SJ Zweben, S. Banerjee, R. Barchfeld, RE Bell, JW Berkery, A. Bhattacharjee, A. Bierwage, GP Canal, X. Chen, C. Clauser, N. Crocker, C. Domier, T Evans, M. Francisquez, K. Gan, S. Gerhardt, RJ Goldston, T. Gray, A. Hakim, G. Hammett, S. Jardin, R. Kaita, B. Koel, E. Kolemen, S.-H . Ku, S. Kubota, BP LeBlanc, F. Levinton, JD Lore, N. Luhmann, R. Lunsford, R. Maqueda, JE Menard, JH Nichols, M. Ono, J.-K. Park, F. Poli, T. Rhodes, J. Riquezes, D. Russell, SA Sabbagh, E. Schuster, DR Smith, D. Stotler, B. Stratton, K. Tritz, W. Wang und B. Wirth, 30. März 2022, Kernfusion.
DOI: 10.1088/1741-4326/ac5448

Unterstützung für diese Forschung kommt vom DOE Office of Science mit vielen Simulationen, die unter Verwendung von Ressourcen des National Energy Research Scientific Computing Center, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, erstellt wurden. Zu den Co-Autoren des Papiers gehören Forscher von PPPL und 23 Kooperationsinstitutionen weltweit.

PPPL, weiter Princeton University's Forrestal Campus in Plainsboro, NJ, widmet sich der Schaffung neuer Erkenntnisse über die Physik von Plasmen – ultraheißen, geladenen Gasen – und der Entwicklung praktischer Lösungen für die Erzeugung von Fusionsenergie.


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