Виявлені оптимальні магнітні поля для придушення нестабільності в токамаках
Злиття, сила, яка керує Сонцем і зірками, виробляє величезну кількість енергії. Вчені тут, на Землі, прагнуть відтворити цей процес, який об'єднує легкі елементи у вигляді гарячої, зарядженої плазми, що складається з вільних електронів і атомних ядер, щоб створити практично невичерпний запас енергії для генерації електрики в тому, що можна назвати "зіркою у банку"."
Давня головоломка в спробі захопити силу злиття на Землі полягає в тому, як зменшити або усунути загальну нестабільність, яка виникає в плазмі, званої крайовими локалізованими режимами (ELMs). Подібно до того, як сонце випускає величезні сплески енергії у вигляді сонячних спалахів, так вспышечные сплески В'язів можуть врізатися в стіни токамаків у формі пончиків, які містять реакції синтезу, потенційно пошкоджуючи стіни реактора.
Брижі сплесків контроль
Щоб контролювати ці сплески, вчені порушують плазму невеликими магнітними пульсаціями, що називаються резонансними магнітними збуреннями (RMPs), які спотворюють гладку форму пампуха надлишкового тиску, высвобождающего плазму, яка зменшує або запобігає появі В'язів. Важка частина виробляє якраз праве кількість цього спотворення 3Д для того щоб виключити в'язи без викликати інші нестійкості і випускати дуже багато енергії, яка, в гіршому випадку, може призвести до головного порушенню яке припиняє плазму.
Зробити завдання винятково важким є той факт, що практично необмежену кількість магнітних спотворень може бути застосоване до плазмі, в результаті чого знайти саме правильний вид спотворення буде надзвичайно складним завданням. Але більше немає.
Фізик Джонг-Кю парк з Прінстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США (DOE), який працює з групою співробітників зі Сполучених Штатів і Національного дослідницького інституту термоядерного синтезу (NFRI) в Кореї, успішно передбачив весь набір корисних тривимірних спотворень для управління в'язами, не створюючи додаткових проблем. Дослідники підтвердили ці прогнози на Корейському надпровідному об'єкті перспективних досліджень токамака (KSTAR), одному з найбільш передових надпровідних токамаків в світі, розташованому Daejeon, Південна Корея.
KSTAR ідеально підходить для тестів
KSTAR ідеально підходила для тестування пророкувань завдяки вдосконаленому магнітному управління для генерації точних спотворень в майже ідеальною кільцевої симетрії плазми. Виявлення найбільш вигідних спотворень, які складають менше одного відсотка від усіх можливих спотворень, які могли б бути отримані всередині KSTAR, було б практично неможливо без прогностичної моделі, розробленої дослідницької групою.
Результатом стало досягнення, створила прецедент. "Ми вперше маємо повне 3D-польове робоче вікно в токамаке для придушення В'язів, не викликаючи нестабільності ядра або надмірно деградуючого утримання", — сказав Пак, чия стаття, написана 14 співавторами зі Сполучених Штатів та Південної Кореї, опублікована в Nature Physics. “Довгий час ми думали, що буде занадто складно обчислювально ідентифікувати всі корисні поля, що порушують симетрію, але тепер наша робота демонструє просту процедуру ідентифікації множини всіх таких конфігурацій."
Дослідники зменшили складність обчислень, коли зрозуміли, що кількість способів, якими плазма може спотворювати, насправді набагато менше, ніж діапазон можливих 3D-полів, які можуть бути застосовані до плазмі. Працюючи в зворотному напрямку, від спотворень до 3D-полів, автори розрахували найбільш ефективні поля для усунення В'язів. Експерименти KSTAR підтвердили передбачення з вражаючою точністю.
Отримані результати вселяють нову впевненість
Результати досліджень KSTAR дають нову впевненість у здатності прогнозувати оптимальні 3D-поля для ITER, міжнародного токамака, що будується у Франції, який планує використовувати спеціальні магніти для створення 3D-спотворень для управління в'язами. Такий контроль буде мати життєво важливе значення для ITER, метою якого є виробляти в 10 разів більше енергії, ніж потрібно для нагрівання плазми. За словами авторів статті " метод і принцип, прийняті в даному дослідженні, можуть істотно підвищити ефективність і точність складного процесу 3D оптимізації в токамаках."
Корейська робота над цим проектом була спонсирована NFRI Daejeon, Південна Корея. NFRI є провідним інститутом досліджень термоядерної енергії в Кореї і займається розробкою науково-технічної бази для реалізації термоядерної енергії. NFRI працює KSTAR під Корейського Міністерства науки та інформаційно-комунікаційних технологій (ІКТ). KSTAR, один з провідних у світі надпровідних токамаків, прагне до досягнення високопродуктивної стаціонарної роботи, використовуючи високоточні магнітні системи разом з виробництвом 3D-полів, передових зображень і інших можливостей, що мають вирішальне значення для успіху цієї роботи.
Це дослідження підтримується управління ДОУ науки та за підтримки Корейського Міністерства науки та ІКТ для проекту KSTAR.
