Fusion Breakthrough Once Thought Impossible наближає енергетичний пристрій до реалізації

 Вчені досягли чудового прориву в концептуальному дизайні звивистих стеллараторів, експериментальних магнітних установок, які могли б відтворювати на Землі енергію термоядерного синтезу, яка живить Сонце та зірки. Прорив показує, як точніше сформувати магнітні поля в стелараторах, щоб створити безпрецедентну здатність утримувати термоядерне паливо разом, пише Scitechdaily.

«Ключовою була розробка програмного забезпечення, яке дозволить вам швидко випробувати нові методи проектування», – сказала Елізабет Пол, президентський постдокторант Прінстонського університету в Прінстонській лабораторії фізики плазми ( PPPL ) Міністерства енергетики США та співавтор стаття, яка детально описує результат у Physical Review Letters . Результати, отримані Полом і провідним автором дослідження Меттом Ландреманом з Університету Меріленду, можуть підвищити здатність стелараторів збирати урожай термоядерного синтезу для виробництва безпечної та безвуглецевої електроенергії для людства.

• Резюме новин науки і техніки Китаю

Ренесанс Стелларатора

Стелларатори , винайдені астрофізиком із Прінстона та засновником PPPL Лайманом Шпіцером у 1950-х роках, давно відійшли на другий план у відношенні токамаків у світових спробах виробляти контрольовану енергію термоядерного синтезу . Але останні розробки, які включають вражаючу продуктивність стелларатора Wendelstein 7-X (W7-X) у Німеччині, великі результати від Великого спірального пристрою (LHD) в Японії, багатообіцяючі результати спірально-симетричного експерименту (HSX) у Медісоні. , Вісконсін, і запропоноване використання простих постійних магнітів для заміни складних котушок стелларатора викликали ренесанс інтересу до звивистих машин.

Термоядерний синтез створює величезну енергію в усьому Всесвіті шляхом поєднання легких елементів у вигляді плазми , гарячого зарядженого стану матерії, що складається з вільних електронів і атомних ядер або іонів, що становить 99 відсотків видимого Всесвіту. Стелларатори могли створювати лабораторні версії процесу без ризику руйнівних збоїв, з якими стикаються більш широко використовувані термоядерні установки токамаків.

Однак скручувальні магнітні поля в стелараторах були менш ефективними для обмеження шляхів іонів і електронів, ніж симетричні поля у формі пончиків в токамаках, що зазвичай роблять, викликаючи великі і тривалі втрати екстремального тепла, необхідного для зближення іонів. для вивільнення енергії синтезу. Більше того, складні котушки, які створюють поля стелларатора, важко проектувати та будувати.

Нинішній прорив створює те, що називається «квазісиметрією» в стелараторах, щоб майже відповідати обмежувальній здатності симетричних полів токамака. Хоча вчені довгий час прагнули створити квазісиметрію у скручених стелараторах, нове дослідження розробляє трюк, щоб створити її майже точно. У цьому трюку використовується нове програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом під назвою SIMSOPT (Simons Optimization Suite), яке призначене для оптимізації стелараторів шляхом повільного уточнення імітованої форми кордону плазми , що позначає магнітні поля. «Здатність автоматизувати речі та швидко випробовувати їх за допомогою цього нового програмного забезпечення робить такі конфігурації можливими», – сказав Ландреман.

За його словами, вчені також можуть застосувати отримані результати для вивчення астрофізичних проблем. У Німеччині команда розробляє квазісиметричний стеларатор для утримання та вивчення частинок антиречовини, таких як ті, що знаходяться в космосі. «Це точно така ж проблема, як і з термоядерним синтезом», — сказав Ландреман. «Вам просто потрібно переконатися, що частинки залишаються обмеженими».

Проривні припущення

Прорив зробив деякі спрощені припущення, які потребують удосконалення. Для простоти, наприклад, дослідження розглядали режим, при якому тиск і електричний струм у плазмі були малими. «Ми зробили деякі спрощувальні припущення, але дослідження є значним кроком уперед, тому що ми показали, що насправді можна отримати точну квазісиметрію, яка довгий час вважалася неможливою», – сказав Пол.

Також потребують подальшої розробки, перш ніж результати будуть реалізовані, нові котушки стелларатора та детальна розробка конструкції стелларатора. Магнітне поле частково може бути забезпечене постійними магнітами, які PPPL розробляє для оптимізації сучасних скручених котушок стеларатора. «Найбільше відсутніх частин – це магніти, тиск і струм», – сказав Ландреман.

Робота Пол над документом PRL є одним з досягнень протягом другого року її президентської стипендії в Прінстоні. Раніше вона виграла висококонкурентну премію Американського фізичного товариства за найкращу докторську дисертацію 2021 року за свою дисертацію в Університеті Меріленда, у якій Ландреман був радником. Зараз вона працює з аспірантом PPPL Річардом Нісом, який нещодавно опублікував статтю, в якій застосовує математичні інструменти, розроблені її дисертацією в Меріленді, для прискорення отримання квазісиметрії.

Наглядає за роботою Пола в Прінстоні фізик PPPL Амітава Бхаттачарджі, професор астрофізичних наук із Прінс тона, який також курує проект «Приховані симетрії та енергія синтезу», спонсорований Фондом Саймонса в Нью-Йорку, який фінансував роботу PRL. «Робота Метта та Елізабет вміло використовує математичні та обчислювальні інструменти, розроблені останніми роками для оптимізації стеларатора, і безсумнівно доводить, що ми можемо проектувати квазісиметричні магнітні поля стелларатора з безпрецедентним рівнем точності . Це тріумф обчислювального дизайну».

• Десять найбільших ідей в історії науки

Робота Stellarator над проектом Simons паралельно дослідженню PPPL для розробки перспективного пристрою, який Лабораторія винайшла близько 70 років тому. Така розробка поєднала б найкращі характеристики стеллараторів і токамаків, щоб створити безперебійну установку з потужним утриманням плазми для відтворення практично необмеженого джерела термоядерної енергії.