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改进控制地球上聚变能量的磁力瓶

前沿科技 2019-08-07 10:32:04

利用磁场在地球上凝固和控制太阳和恒星的聚变反应的科学家必须纠正包含反应的场的形状中的任何错误。这种误差会产生与甜甜圈托卡马克聚变设施中场的对称形式的偏差,这会对对反应提供燃料的热的带电等离子气体的稳定性和限制产生破坏性影响。

由美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家领导的研究人员在国家球形圆环实验升级(NSTX-U)的最初10周运行中发现了明确的证据表明存在误差场。 ,实验室的旗舰融合设施。他们使用的详尽检测方法可以为未来的融合设备(如ITER,法国正在建设的大型国际聚变设施)提供纠错的经验教训,以展示受控聚变能的实用性。

融合太阳和恒星

融合,驱动太阳和恒星的能量,是等离子体形式的轻元素的融合 - 由自由电子和原子核组成的热的带电状态 - 产生大量能量。世界各地的科学家正在寻求在地球上复制聚变,以获得几乎无穷无尽的电力供应。

在PPPL,研究人员将实验数据,磁铁位置的详细测量和等离子体响应的计算机建模相结合,以找到NSTX-U误差场的来源。分析揭示了一系列小误差场 - 这是托卡马克不能完全对称的事实的必然结果 - 但大多数都对等离子体具有容易纠正的影响。然而,一个主要的发现突出:磁性线圈的轻微错位沿着托卡马克的中心向下延伸并产生水平地或“环形地”在容器内部周围缠绕的区域。

线索科学家寻求

这种错位是科学家们寻求的线索。“我们寻找对等离子体影响最大的错误来源,”该研究的第一作者Nate Ferraro表示,该研究报告了核聚变中的搜索和发现。“我们发现的是中心叠层线圈与封闭它们的外壳的小错位。”

轻微的未对准产生了在等离子体的行为中产生共振的误差。其中的问题是制动和锁定效应,使等离子体边缘不会旋转,并增加了托卡马克内部等离子体部件的局部加热。

在线圈发生故障后,托卡马克停止进行维修后发现不对中。研究人员说,这些不对中的结果现在被用来“推动NSTX-U在重建时的新工程公差要求”。这些要求要求中心堆叠和包围它的外壳之间的更严格的公差。更严格的公差将使两个部件的最佳对准的偏差从沿中心叠层的垂直轴的小于两百分之一英寸缩小。

这组作者说,调整可以减轻对局部加热增加的担忧,并减少磁力制动和锁定。这样的发展将由此改善等离子体的稳定性。“每个托卡马克都关注错误领域,”费拉罗说。“我们要做的是优化NSTX-U。”

与实验合作

该研究结果表明,PPPL理论部与NSTX-U实验之间的关系,理论主管Amitava Bhattacharjee说。“这是NSTX-U理论伙伴关系计划的一个很好的例子,该计划对PPPL的NSTX-U和理论部门都有益,并且即使在NSTX-U恢复时也会继续,”Bhattacharjee说。

研究小组的成员包括来自PPPL,桑迪亚国家实验室,通用原子学和橡树岭国家实验室的科学家。美国能源部科学办公室资助了这项工作。

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