Mokslininkai siūlo naujovišką termobranduolinės sintezės reakcijų kontroliavimo būdą

Mokslininkai surado naują būdą išvengti įkyrių magnetinių burbulų plazmoje, kurie trukdo vykti termobranduolinėms reakcijoms —  potencialų būdą pagerinti termobranduolinės energijos įrenginių efektyvumą.

Tai atliekama, reguliuojant radijo dažnio (RD) bangas ir taip stabilizuojant magnetinius burbulus, galinčius riboti ITER veikimo efektyvumą. ITER yra Prancūzijoje dabar statomas tarptautinis projektas, skirtas pademonstruoti energijos gavimo iš termobranduolinės sintezės galimybes.

Magnetinės salos

JAV Energetikos departamento (U. S. Department of Energy – DOE) tyrėjai Princetono plazmos fizikos laboratorijoje (PPPL) sukūrė naują šių magnetinių burbulį, kitaip – salų, kontroliavimo modelį. Naujuoju metodu modifikuojama standartinė salų stabilizavimo nuolatiniu RD spinduliavimu technika  — ji tampa neefektyvi kai salų plotis mažas, lyginant su būdingu regiono, per kurį RD tiekia galią, dydžiu.

Šis regionas žymi „slopinimo ilgį“, zoną, kurioje įprastai būtų tiekiama RD galia, kai nėra jokio nelinijinio atgalinio ryšio. RD galios efektyvumas gali būti gerokai sumažinamas, kai regionas didesnis už salos plotį —  tokios sąlygos vadinamos „žemu slopinimu“ — nes tada didžioji galios dalis nuteka iš salos.

Tokias problemas galinčius patirti riestainio formos termobranduolinių reakcijų vykdymo įrenginius, tokamakus, plačiausiai naudoja mokslininkai visame pasaulyje, siekiantys atlikti ir kontroliuoti termobranduolinės sintezės reakcijas, kurios galėtų tiekti praktiškai neišsenkamą saugią ir švarią energiją elektrai gaminti. Tokiose reakcijose sujungiama lengvų elementų plazma — materijos būsena, sudaryta iš laisvų elektronų ir atomų branduolių, sudaranti maždaug 99 procentus regimos visatos — išskiria daugybę energijos, palaikančios žvaigždžių švietimą.

Problemos įveikimas

Pagal naująjį modelį, RD spinduliavimą tiekiant pulsais, o ne nuolatiniu srautu, energijos nutekėjimo problema galėtų būti išspręsta, sakė Suying Jin, studijuojanti Princetono plazmos fizikos programą PPPL ir šį metodą Physics of Plasmas aprašančio straipsnio pagrindinė autorė. „Be to, pulsavimu galima pasiekti didesnį stabilumą ir aukšto slopinimo atvejais, kai vidutinė galia yra tokia pati,“ pažymi ji.

Kad šis procesas veiktų, „pulsavimas turi būti nei per dažnas, nei per retas,“ sakė ji. „Jis turėtų atitikti karščio sklaidymosi iš salos difuzijos metodu tempą.“

Naujasis modelis remiasi ankstesniais Jin bendraautorių ir patarėjų – Allano Reimano – DRD iš PPPL, ir profesoriaus Nato Fischo, Princetono universiteto Plazmos fizikos programos direktoriaus ir PPPL mokslo reikalų asoc. direktoriaus – darbais. Jų tyrimais sukurtas nelinijinis modelis, pagal kurį tiriamas RD galios tiekimas stabilizuoti magnetinėms saloms.

„Suying darbas svarbus tuo, kad jis gerokai praplečia įrankių arsenalą kovoti su, ko gero, pagrindine problema, kylančia, siekiant pasiekti ekonomiškai prasmingą sintezę tokamake. Tokamakuose randasi šios natūralios ir nestabilios salos, sukeliančios pragaištingą ir staigų plazmos nuotėkį,“ paaiškino Reimanas.

Fischas pridūrė: „Suying darbas siūlo ne tik naujas kontrolės metodologijas; dėl jos identifikuotų naujai numatomų efektų gali tekti iš naujo įvertinti ankstesnių eksperimentų, kuriuose šie efektai galėjo atlikti neįvertintą vaidmenį, rezultatus. Jos darbas dabar motyvuoja atlikti konkrečius eksperimentus, kurie galėtų išaiškinti jų kilimo mechanizmus ir nurodyti, kaip geriausiai tuos pragaištingus nestabilumus kontroliuoti.“

Originalus modelis

Originalus RD įterpimo modelis rodė, kad jis kelia temperatūrą ir nukreipia srovę į salos centrą, sulaikydamas jį nuo augimo. Tada pasireiškia nelinjinis atgalinis ryšys tarp galios pridėjimo ir salos temperatūros kitimų, labai pagerinantis stabilizavimą. Šiuo temperatūrų pokyčius valdo karščio sklaidymasis iš plazmos salos krašte.

Tačiau aukšto slopinimo režimuose, kai slopinimo ilgis mažesnis už salos dydį, tas pats nelinijinis efektas gali sukelti problemą, vadinamąjį „šešėliavimą“ per tolygų energijos įkėlimą, dėl ko RD spindulyje pritrūksta galios, jam dar nepasiekus salos centro.

„Iš pradžių pulsuojančių RD schemas nagrinėjome kaip būdą išspręsti šešėliavimo problemą," sakė Jin. „Tačiau paaiškėjo, kad aukšto slopinimo režimuose nelinijinis atgalinis ryšys verčia pulsavimą stiprinti šešėliavimą, ir spindulio energija baigiasi dar greičiau. Todėl apsukome problemą ir išsiaiškinome, kad nelinijinis efektas gali priversti pulsavimą sumažinti energijos nuotėkį iš salų žemo slopinimo scenarijuje."

Šiuos spėjimus, savaime suprantama, reikia tikrinti eksperimentiškai, sakė Jin. „Tokiais eksperimentais būtų siekiama parodyti, kad pulsavimas didina salų temperatūrą, kol pasiekiamas optimalus plazmos stabilizavimas,“ pabrėžė ji.

John Greenwald. Princeton Plasma Physics Laboratory
phys.org

Daugiau informacijos:S. Jin et al, Pulsed RF schemes for tearing mode stabilization, Physics of Plasmas (2020). DOI: 10.1063/5.0007861