Entdeckung einer unerwarteten Hürde für Stellarator-Fusionsanlagen

Die Untersuchung eines möglicherweise kritischen Problems mit verdrehten magnetischen Stellaratoren, die vielversprechende Kandidaten sind, die als Modelle für eine US-Fusionspilotanlage dienen könnten, hat die potenziellen Auswirkungen eines weitgehend übersehenen Problems verdeutlicht.

Der Befund des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) zeigt, wie periodische Änderungen der Stärke und Form der Stellarator-Magnetfelder unter bestimmten theoretischen Bedingungen den schnellen Verlust des Einschlusses hochenergetischer Plasmateilchen erleichtern können die Fusionsreaktionen antreiben.

Hohe Energie

„Wenn Sie Kernfusion machen wollen, müssen Sie eine hohe Energie haben“, sagte PPPL-Physiker Roscoe White, Hauptautor von a Physik der Plasmen Papier, das die Redakteure als „Scilight“ oder Wissenschaftshighlight ausgewählt haben.

Sein Artikel identifiziert eine neue Art von energetischem Teilchenverlust, sagte Felix Parra Diaz, Leiter der Theorieabteilung bei PPPL. „Die Studien haben sich bisher darauf konzentriert, andere Arten von energetischen Verlusten zu kontrollieren, die vorherrschen, und wir versuchen jetzt, die energetischen Partikelverluste noch weiter zu reduzieren“, sagte Parra Diaz. „Das Papier, auf dem diese Ergebnisse basieren, identifiziert einen Mechanismus, den wir bei der Gestaltung der optimalen Form von Stellarator-Magnetfeldern berücksichtigen müssen.

„Obwohl dieser Mechanismus neben vielen anderen Effekten in unseren detaillierteren Analysen von Stellarator-Konfigurationen enthalten ist, wurde er nicht als Problem herausgegriffen, das angegangen werden musste. Wir können aufgrund seiner Rechenkosten keine detaillierte Analyse für die Stellarator-Optimierung verwenden. Aus diesem Grund Das Papier von Roscoe ist wichtig: Es identifiziert das Problem und schlägt einen effizienten Weg zur Bewertung und Optimierung der Stellaratorform vor, um es zu vermeiden. Dies gibt uns die Möglichkeit, Stellaratorkonfigurationen zu entwickeln, die noch besser sind als die bestehenden.“

Die Mechanismen, die dieses Problem verursachen, sind sogenannte „Resonanzen“, die die Pfade beschreiben, denen Partikel folgen, wenn sie die Magnetfelder umkreisen, die um die Maschine herumlaufen. Wenn Teilchen in Resonanz sind, kehren sie immer wieder zu dem Punkt zurück, von dem sie ausgegangen sind. Solche Rückführungen ermöglichen es Instabilitäten oder Moden im heißen, geladenen Plasmagas, sogenannte Inseln auf dem Weg der Umlaufbahnen zu erzeugen, wodurch die Teilchen und ihre Energie aus dem Einschluss entkommen können.

White verwendete einen Hochgeschwindigkeits-Softwarecode, um nach Instabilitäten zu suchen, die als „Alfven-Modi“ bezeichnet werden und Inseln in Donut-förmigen Tokamaks erzeugen können, die weiter verbreitete experimentelle Fusionsanlagen sind. „Also dachte ich: ‚Okay‘, ich werde mir auch Stellaratoren ansehen“, sagte er. Und bei Stellaratoren „passiert etwas ganz anderes“, stellte er fest.

Modi nicht erforderlich

„Es stellt sich heraus, dass man in einem Stellarator keine Moden braucht“, sagte White. „In Stellaratoren können Teilchenverluste auftreten, wenn die Anzahl der periodischen Änderungen in der Umlaufbahn resonanter hochenergetischer Teilchen mit der Anzahl der periodischen Änderungen im Magnetfeld übereinstimmt“, sagte er. „Es ist, als würde man ein Kind auf einer Schaukel schieben. Wenn Sie möchten, dass das Kind immer höher und höher schaukelt, schieben Sie es jedes Mal, wenn die Schaukel zu Ihnen zurückkommt, erneut, und das ist ein Stoß in Resonanz“, sagte er.

Für White „besteht das Problem bis jetzt darin, dass sich die Menschen auf die Form des Magnetfelds konzentriert haben. Aber hochenergetische umlaufende Teilchen driften über das Feld, also muss man auch die Teilchenbahnen berücksichtigen.“

Für die Zukunft sagte er: „Zu sehen, ob Teilchenresonanzen in Stellaratoren mit der Magnetfeldperiode übereinstimmen, muss in die Designbedingungen einfließen, um einen guten Reaktor zu finden.“