Згідно з нещодавніми моделюваннями та аналізом, флагманська установка термоядерного синтезу Прінстонської лабораторії плазмової фізики Міністерства енергетики США (DOE) (PPPL) може послужити моделлю для економічно привабливої експериментальної установки термоядерного синтезу нового покоління. Пілотна установка може стати наступним кроком у Сполучених Штатах до збору енергії термоядерного синтезу, яка живить сонце та зірки на Землі, як безпечне та чисте джерело енергії для виробництва енергії.
Співтовариство термоядерного синтезу в Сполучених Штатах нещодавно наполягало на невідкладних зусиллях щодо розробки та будівництва економічно ефективної пілотної установки, здатної виробляти електроенергію в 2040-х роках. Флагман PPPL, National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), який зараз ремонтується, має унікальні особливості, які роблять його дизайн придатним для цієї ролі. «Все полягає в тому, щоб спробувати спроектувати, чи є цей маршрут сприятливим для економічно ефективної пілотної установки та за її межами», – сказав Вальтер Гуттенфельдер, головний фізик і головний автор дослідження, де детально описані нові відкриття, опубліковані в журналі. Ядерний синтез.
Термоядерний синтез виробляє величезну енергію шляхом поєднання легких елементів, таких як водень, у формі плазма, гарячий заряджений стан речовини, що складається з вільних електронів і атомних ядер або іонів. Плазма складає 99 відсотків видимого Всесвіту і підживлює реакції синтезу, які виробляють тепло і світло, які створюють і підтримують життя на Землі.
Фізик Вальтер Гуттенфельдер із цифрами з статті, яку він написав разом із дослідниками PPPL, включаючи членів команди NSTX-U та 23 спільних установ по всьому світу. Авторство: Фото Елле Старкман/Управління комунікацій PPPL; колаж Кірана Сударсанана
NSTX-U сферичної форми виробляє плазму високого тиску, необхідну для реакцій синтезу, у відносно компактній та економічно ефективній конфігурації. Експлуатаційні можливості об’єкта значно розширені в порівнянні з його попередньо модернізованим попередником. «Основна мотивація для NSTX-U полягає в тому, щоб підвищити потужність, вищі магнітні поля, які підтримують високотемпературну плазму, щоб побачити, чи триватимуться раніше сприятливі тенденції», – сказав Гуттенфельдер.
Останні теорії, аналіз і моделювання дослідницької групи NSTX-U передбачають, що багато з цих тенденцій мають бути продемонстровані в нових експериментах NSTX-U. Передбачувані умови експлуатації для NSTX-U включають наступне:
- Запуск плазми. Моделювання було розроблено для ефективної оптимізації ініціювання та нарощування плазми, і воно було застосовано, щоб допомогти об’єкту сферичного токамака у Сполученому Королівстві виробляти свою першу плазму.
- Розуміння плазмового краю. Нові моделі моделюють динаміку між краєм плазми та стінкою токамака, що може визначити, чи досягне ядро плазми 150 мільйонів градусів, необхідних для реакцій синтезу.
- Застосування штучного інтелекту. Машинне навчання з штучним інтелектом розробило швидкий шлях для оптимізації та контролю умов плазми, які точно відповідають прогнозованим цілям тесту.
- Нові техніки. Моделювання пропонує багато нових методів для захисту внутрішніх компонентів NSTX-U від вибухів тепла відпрацьованих газів у результаті термоядерних реакцій. Серед цих концепцій – використання випарованого літію для зменшення впливу теплового потоку.
- Стабільна продуктивність. Дослідження показали, що вікно для продуктивності NSTX-U може залишатися стабільним в умовах нестабільності, яка може погіршити роботу.
- Чого уникати. Покращене розуміння умов, яких слід уникати, відбувається завдяки чудовому узгодженню між прогнозованим діапазоном нестабільної плазми та великою експериментальною базою даних.
Таким чином, був досягнутий значний прогрес у розумінні та прогнозуванні того, як NSTX-U може сприяти розвитку термоядерної енергії, Ядерний синтез папір говорить. «Наступний крок, — сказав Гуттенфельдер, — це перевірити, чи нові експерименти підтверджують те, що ми передбачаємо, і уточнити прогнози, якщо ні. Ці кроки разом дозволять отримати більш впевнені прогнози для майбутніх пристроїв».
Довідкова інформація: «Теорія, моделювання та результати аналізу NSTX-U» W. Guttenfelder, DJ Battaglia, E. Belova, N. Bertelli, MD Boyer, CS Chang, A. Diallo, VN Duarte, F. Ebrahimi, ED Emdee, N Ферраро, Е. Фредріксон, Н. Н. Гореленков, В. Хайдбрінк, З. Ільхан, С. М. Кей, Е.-Х. Кім, А. Кляйнер, Ф. Лаггнер, М. Ламперт, Дж. Б. Лест, Ч. Лю, Д. Лю, Т. Лубі, Н. Менделл, Р. Майнгі, Дж. Р. Майра, С. Мунаретто, М. Подеста, Т. Рафік, Р. Раман, М. Рейнке, Ю. Рен, Дж. Руїс Руїс, Ф. Скотті, С. Шираїва, В. Сухановський, П. Вейл, З. Р. Ванг, В. Венер, А. Е. Уайт, Р. Б. Уайт, Б. Дж. К. Вудс , 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 Еванс, М. Францискес, К. Ган, С. Герхардт, Р. Дж. Голдстон, Т. Грей, А. Хакім, Г. Хеммет, С. Джардін, Р. Кайта, Б. Коель, Е. Колемен, С.-Х. . Ку, С. Кубота, Б. П. Леблан, Ф. Левінтон, Дж. Д. Лор, Н. Луманн, Р. Лунсфорд, Р. Македа, Джей Менард, Дж. Х. Ніколс, М. Оно, Ж.-К. Парк, Ф. Полі, Т. Роудс, Дж. Рікезес, Д. Рассел, С. А. Саббаг, Е. Шустер, Д. Р. Сміт, Д. Стотлер, Б. Страттон, К. Триц, В. Ван і Б. Вірт, 30 березня 2022 рік, Ядерний синтез.
DOI: 10.1088/1741-4326/ac5448
Підтримка цього дослідження надходить від Управління науки Міністерства охорони здоров’я США, яке створено з використанням ресурсів Національного науково-обчислювального центру Національного наукового центру енергетичних досліджень, користувацького центру Міністерства науки США. Співавторами статті є дослідники з PPPL та 23 спільних установ по всьому світу.
ПППЛ, на Прінстонський університетКампус Форрестола в Плейнсборо, штат Нью-Джерсі, присвячений створенню нових знань про фізику плазми — надгарячих заряджених газів — і розробці практичних рішень для створення термоядерної енергії.
