Naukowcy wykorzystali fale Alfvéna do tłumienia uciekających elektronów w urządzeniach do syntezy tokamaków, co dostarczyło poważnych wniosków dla przyszłych projektów w zakresie energii termojądrowej, w tym ITER we Francji.
Naukowcy pod kierunkiem Zhanga Liu z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (PPPL) ujawniło obiecujące podejście do łagodzenia uszkodzeń niekontrolowanych elektronów spowodowanych turbulencjami w urządzeniach do syntezy tokamaka. Kluczem do takiego podejścia było wykorzystanie unikalnego gatunku osocze Fala nazwana na cześć astrofizyka Hansa Alvvéna, laureata Nagrody Nobla w 1970 roku.
Od dawna wiadomo, że fale Alfvéna rozluźniają uwięzienie cząstek o wysokiej energii w reaktorach tokamakowych, umożliwiając niektórym ucieczkę i zmniejszając wydajność urządzeń w kształcie pączka. Jednak nowe odkrycia Zhanga Liu i badaczy z General Atomics, Columbia University i PPPL ujawniły przydatne wyniki w przypadku uciekających elektronów.
Świetny proces okrężny
Naukowcy odkryli, że takie rozluźnienie może rozproszyć elektrony o wysokiej energii, zanim zamienią się one w lawiny, które uszkodzą elementy tokamaka. Proces ten ma charakter niezwykle kołowy: uciekinierzy tworzą niestabilność, która powoduje powstawanie fal Alfvéna, które uniemożliwiają uformowanie się lawiny.
„Odkrycia te stanowią kompleksowe wyjaśnienie bezpośredniej obserwacji fal Alfvéna w eksperymentach z inaktywacją” – powiedział Liu, badacz z PPPL i główny autor artykułu szczegółowo opisującego wyniki. Listy z przeglądu fizycznego. „Wyniki pokazują wyraźny związek między tymi wzorami a generowaniem uciekających elektronów”.
Naukowcy opracowali teorię obserwowanego obwodu tych interakcji. Wyniki dobrze odpowiadają uciekinierom z eksperymentów przeprowadzonych w National Fusion Facility DIII-D, tokamaku Departamentu Energii obsługiwanym przez General Atomics na zlecenie Office of Science. Testy tej teorii również dały pozytywny wynik na superkomputerze Summit znajdującym się w Oak Ridge National Laboratory.
„Praca Zhanga Liu pokazuje, że wielkość puli uciekających elektronów można kontrolować poprzez niestabilności powodowane przez same uciekające elektrony” – powiedział Felix Parra Diaz, kierownik działu teorii w PPPL. „Jego badania są bardzo ekscytujące, ponieważ mogą doprowadzić do konstrukcji tokamaków, które w naturalny sposób łagodzą uszkodzenia spowodowane przez niekontrolowane elektrony poprzez wrodzoną niestabilność”.
Hartowanie termiczne
Turbulencja zaczyna się od gwałtownego spadku temperatury o milion stopni wymaganej do reakcji termojądrowych. Krople te, zwane „gaszeniem termicznym”, uwalniają lawiny osuwiskowe podobne do osuwisk wywołanych trzęsieniem ziemi. „Kontrolowanie turbulencji to główne wyzwanie dla sukcesu tokamaka” – powiedział Liu.
Reakcje termojądrowe łączą lekkie pierwiastki w postaci plazmy – gorącego, naładowanego stanu materii składającego się z wolnych elektronów i jąder atomowych zwanych jonami – w celu uwolnienia masywnej energii, która zasila Słońce i gwiazdy. Ograniczenie ryzyka turbulencji i ucieczki elektronów zapewniłoby zatem wyjątkowe korzyści tokamakom zaprojektowanym do odtwarzania tego procesu.
Ograniczenie ryzyka turbulencji i ucieczki elektronów zapewniłoby zatem wyjątkowe korzyści tokamakom zaprojektowanym do odtwarzania tego procesu.
Nowe podejście może mieć wpływ na postępy w projekcie ITER – międzynarodowym tokamaku budowanym we Francji w celu zademonstrowania praktycznego zastosowania energii termojądrowej i może stanowić ważny krok w rozwoju elektrowni termojądrowych.
„Nasze odkrycia torują drogę do stworzenia nowych strategii łagodzenia uciekających elektronów” – powiedział Liu. Obecnie na etapie planowania prowadzone są kampanie eksperymentalne, w ramach których trzy ośrodki badawcze mają na celu dalszy rozwój niesamowitych wyników.
„Podróżujący ninja. Rozrabiaka. Badacz bekonów. Ekspert od ekstremalnych alkoholi. Obrońca zombie.”