Neue Erkenntnisse über das Bewegen von Elektrizität könnten Fusionsgeräte verbessern

Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben herausgefunden, dass die Aktualisierung eines mathematischen Modells, das eine physikalische Eigenschaft namens Widerstand enthält, zu einem verbesserten Design von Donut-förmigen Fusionsanlagen führen könnte, die als Tokamaks bekannt sind.

„Widerstand ist die Eigenschaft jeder Substanz, die den Stromfluss hemmt“, sagte PPPL-Physiker Nathaniel Ferraro, einer der kooperierenden Forscher. „Es ist so etwas wie die Viskosität einer Flüssigkeit, die verhindert, dass sich Dinge durch sie bewegen. Zum Beispiel bewegt sich ein Stein langsamer durch Melasse als durch Wasser und langsamer durch Wasser als durch Luft.“

Wissenschaftler haben einen neuen Weg entdeckt, wie der spezifische Widerstand Instabilitäten am Plasmarand verursachen kann, wo Temperaturen und Drücke stark ansteigen. Durch die Einbeziehung des spezifischen Widerstands in Modelle, die das Verhalten von Plasma vorhersagen, einer Suppe aus Elektronen und Atomkernen, die 99 % des sichtbaren Universums ausmacht, können Wissenschaftler Systeme für zukünftige Fusionsanlagen entwerfen, die das Plasma stabiler machen.

„Wir wollen dieses Wissen nutzen, um herauszufinden, wie wir ein Modell entwickeln können, das es uns ermöglicht, bestimmte Plasmaeigenschaften einzubauen und vorherzusagen, ob das Plasma stabil sein wird, bevor wir tatsächlich ein Experiment durchführen“, sagte Andreas Kleiner, ein PPPL-Physiker, der das war Hauptautor eines Artikels, der die Ergebnisse in berichtet Kernfusion. „Grundsätzlich haben wir in dieser Forschung gesehen, dass der spezifische Widerstand wichtig ist und unsere Modelle ihn berücksichtigen sollten“, sagte er.

Fusion, die Kraft, die Sonne und Sterne antreibt, verbindet leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht – und erzeugt riesige Mengen an Energie. Wissenschaftler versuchen, die Fusion auf der Erde für eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle zur Stromerzeugung nutzbar zu machen.

Wissenschaftler möchten, dass das Plasma stabil ist, da Instabilitäten zu Plasmaausbrüchen führen können, die als kantenlokalisierte Modi (ELMs) bekannt sind und mit der Zeit interne Komponenten des Tokamaks beschädigen können, sodass diese Komponenten häufiger ausgetauscht werden müssen. Zukünftige Fusionsreaktoren müssen jedoch monatelang ohne Unterbrechung für Reparaturen laufen.

„Wir müssen darauf vertrauen können, dass das Plasma in diesen zukünftigen Anlagen stabil ist, ohne Prototypen in Originalgröße bauen zu müssen, was unerschwinglich teuer und zeitaufwändig ist“, sagte Ferraro. „Im Fall von kantenlokalisierten Moden und einigen anderen Phänomenen könnte das Versäumnis, das Plasma zu stabilisieren, zu Schäden oder einer verkürzten Lebensdauer der Komponenten in diesen Anlagen führen, daher ist es sehr wichtig, es richtig zu machen.“

Physiker verwenden ein als EPED bekanntes Computermodell, um das Verhalten von Plasma in herkömmlichen Tokamaks vorherzusagen, aber die Vorhersagen, die der Code für eine Vielzahl von Plasmamaschinen, die als sphärische Tokamaks bekannt sind, erzeugt, sind nicht immer genau. Physiker untersuchen sphärische Tokamaks, kompakte Einrichtungen wie das National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) am PPPL, die entkernten Äpfeln ähneln, als mögliches Design für eine Fusionspilotanlage.

Unter Verwendung der Hochleistungscomputer im National Energy Research Scientific Computing Center, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, versuchten Kleiner und das Team, einem Plasmamodell den spezifischen Widerstand hinzuzufügen, und stellten fest, dass die Vorhersagen begannen, sich zu decken Beobachtungen.

„Andreas untersuchte die Daten mehrerer früherer Plasmaentladungen und stellte fest, dass Widerstandseffekte sehr wichtig waren“, sagte Rajesh Maingi, Leiter der Tokamak Experimental Sciences Department von PPPL. „Die Experimente zeigten, dass diese Effekte wahrscheinlich die ELMs verursachten, die wir sahen. Das verbesserte Modell könnte uns zeigen, wie wir die Plasmaprofile in zukünftigen Anlagen ändern können, um die ELMs loszuwerden.“

Die Verwendung dieser Art von Computermodellen ist ein Standardverfahren, mit dem Physiker vorhersagen können, was Plasma in zukünftigen Fusionsmaschinen tun wird, und diese Maschinen so konstruieren, dass sich das Plasma so verhält, dass eine Fusion wahrscheinlicher wird. „Grundsätzlich ist ein Modell ein Satz mathematischer Gleichungen, die das Plasmaverhalten beschreiben“, sagte Ferraro.

„Und alle Modelle beinhalten Annahmen. Einige Modelle, wie das in dieser Forschung verwendete, beschreiben das Plasma als Flüssigkeit. Im Allgemeinen kann man kein Modell haben, das die gesamte Physik beinhaltet. Es wäre zu schwer zu lösen . Sie möchten ein Modell, das einfach genug zu berechnen ist, aber vollständig genug, um das Phänomen zu erfassen, an dem Sie interessiert sind. Andreas fand heraus, dass der spezifische Widerstand einer der physikalischen Effekte ist, die wir in unsere Modelle einbeziehen sollten“, fuhr er fort.

Diese Forschung baut auf früheren Berechnungen auf, die von Kleiner und anderen durchgeführt wurden. Es ergänzt diese Erkenntnisse, indem es weitere Entladungen analysiert, die von NSTX, der Maschine, die NSTX-U vorausgeht, erzeugt wird, und Szenarien untersucht, in denen ELMs nicht auftreten. Die Forschung half den Wissenschaftlern auch festzustellen, dass durch den Widerstand verursachte Instabilitäten durch Plasmastrom und nicht durch Druck verursacht werden.

Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, zu bestimmen, warum der spezifische Widerstand diese Art von Instabilitäten in sphärischen Tokamaks erzeugt. „Wir wissen noch nicht, welche Eigenschaft die resistiven Moden am Plasmarand verursacht. Es könnte ein Ergebnis der sphärischen Torusgeometrie, des Lithiums sein, das die Innenseiten einiger Anlagen beschichtet, oder der länglichen Form des Plasmas“, sagte Kleiner. „Aber das muss noch durch weitere Simulationen bestätigt werden.“