Die entscheidende Entdeckung signalisiert einen großen Fortschritt im Fortschritt von Fusionsreaktoren

Forscher haben Alfvén-Wellen verwendet, um außer Kontrolle geratene Elektronen in Tokamak-Fusionsgeräten abzuschwächen, was erhebliche Auswirkungen auf zukünftige Fusionsenergieprojekte, einschließlich ITER in Frankreich, hat.

Wissenschaftler unter der Leitung von Zhang Liu vom Plasma Physics Laboratory in Princeton (PPPL) enthüllte einen vielversprechenden Ansatz zur Minderung des Schadens durch außer Kontrolle geratene Elektronen, die durch Turbulenzen in Tokamak-Fusionsgeräten verursacht werden. Der Schlüssel zu diesem Ansatz lag in der Nutzung eines einzigartigen Genres Plasma Eine Welle, benannt nach dem Astrophysiker Hans Alvvén, der 1970 den Nobelpreis erhielt.

Es ist seit langem bekannt, dass Alfvén-Wellen den Einschluss hochenergetischer Teilchen in Tokamak-Reaktoren lockern, wodurch einige davon entweichen können und die Effizienz der donutförmigen Geräte verringert wird. Neue Erkenntnisse von Zhang Liu und Forschern von General Atomics, der Columbia University und PPPL haben jedoch nützliche Ergebnisse im Fall außer Kontrolle geratener Elektronen erbracht.

Toller Kreislaufprozess

Wissenschaftler fanden heraus, dass eine solche Lockerung hochenergetische Elektronen zerstreuen oder zerstreuen könnte, bevor sie sich in Lawinen verwandeln, die die Komponenten des Tokamaks beschädigen. Es wird festgestellt, dass dieser Prozess bemerkenswert kreisförmig ist: Die Ausreißer erzeugen Instabilitäten, die zu Alfvén-Wellen führen, die die Entstehung der Lawine verhindern.

„Diese Ergebnisse liefern eine umfassende Erklärung für die direkte Beobachtung von Alfvén-Wellen in Inaktivierungsexperimenten“, sagte Liu, Forscher am PPPL und Hauptautor eines Artikels, in dem die Ergebnisse detailliert beschrieben werden. Briefe zur körperlichen Untersuchung. „Die Ergebnisse zeigen einen klaren Zusammenhang zwischen diesen Mustern und der Erzeugung außer Kontrolle geratener Elektronen.“

Chang Liu. Bildnachweis: Elle Starkman

Die Forscher leiteten eine Theorie für den beobachteten Kreislauf dieser Wechselwirkungen ab. Die Ergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein, die an der National Fusion Facility DIII-D durchgeführt wurden, einem Tokamak des Energieministeriums, der von General Atomics für das Office of Science betrieben wird. Tests der Theorie haben sich auch auf dem Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory als positiv erwiesen.

„Zhang Lius Arbeit zeigt, dass die Größe des Pools austretender Elektronen durch Instabilitäten gesteuert werden kann, die von den austretenden Elektronen selbst verursacht werden“, sagte Felix Parra Diaz, Leiter der Theorie am PPPL. „Seine Forschung ist sehr spannend, weil sie zu Tokamak-Designs führen könnte, die den Schaden durch außer Kontrolle geratene Elektronen durch inhärente Instabilität auf natürliche Weise mildern.“

Thermisches Abschrecken

Die Turbulenzen beginnen mit einem starken Abfall der für Fusionsreaktionen erforderlichen Temperaturen von einer Million Grad. Diese als „thermisches Abschrecken“ bezeichneten Tropfen lösen Erdrutschlawinen aus, die den durch Erdbeben ausgelösten Erdrutschen ähneln. „Die Kontrolle von Turbulenzen ist eine große Herausforderung für den Erfolg des Tokamak“, sagte Liu.

Fusionsreaktionen kombinieren leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen, sogenannten Ionen, besteht, um die enorme Energie freizusetzen, die die Sonne und die Sterne antreibt. Die Verringerung des Risikos von Turbulenzen und außer Kontrolle geratenen Elektronen würde somit einen einzigartigen Vorteil für Tokamak-Anlagen darstellen, die den Prozess reproduzieren sollen.

Die Verringerung des Risikos von Turbulenzen und außer Kontrolle geratenen Elektronen würde somit einen einzigartigen Vorteil für Tokamak-Anlagen darstellen, die den Prozess reproduzieren sollen.

Kernfusionsenergie kann als Ergänzung zu erneuerbaren Energiequellen eine zentrale Quelle nachhaltiger Energie sein. Das größte Fusionsexperiment der Welt, ITER, wird derzeit in Frankreich gebaut. Bildnachweis: ITER

Der neue Ansatz könnte Auswirkungen auf den Fortschritt des ITER-Projekts haben, eines internationalen Tokamaks, der in Frankreich gebaut wird, um die praktische Anwendung der Fusionsenergie zu demonstrieren, und könnte einen wichtigen Schritt in der Entwicklung von Fusionskraftwerken darstellen.

„Unsere Erkenntnisse ebnen den Weg für die Entwicklung neuer Strategien zur Eindämmung außer Kontrolle geratener Elektronen“, sagte Liu. In der Planungsphase sind nun experimentelle Kampagnen, mit denen die drei Forschungszentren die erstaunlichen Ergebnisse weiterentwickeln wollen.