_ O întoarcere la rădăcini: Lab își construiește primul stelarator în ultimii 50 de ani și deschide ușa cercetării în noua fizică a plasmei

Pentru prima dată, oamenii de știință au construit un experiment de fuziune folosind magneți permanenți, o tehnică care ar putea arăta o simplă mod de a construi dispozitive viitoare la costuri mai mici și de a permite cercetătorilor să testeze noi concepte pentru viitoarele centrale electrice de fuziune.

Cercetătorii de la Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) al Departamentului de Energie al SUA au combinat zeci de ani de experiență în inginerie, calcul și fizică teoretică pentru a proiecta un nou tip de stellarator, o mașină întortocheată care limitează plasma, a patra stare a materiei încărcată electric, pentru a valorifica procesul de fuziune care alimentează soarele și stelele și poate genera electricitate curată.

„Folosirea magneților permanenți este o modalitate complet nouă de a proiecta stelare”, a spus Tony Qian, un student absolvent în cadrul Programului Princeton în Fizica Plasmei, care are sediul la PPPL. Qian a fost autorul principal al lucrărilor publicate în Journal of Plasma Physics and Nuclear Fusion care detaliază teoria și ingineria din spatele dispozitivului, cunoscut sub numele de MUSE. „Această tehnică ne permite să testăm rapid idei noi de izolare a plasmei și să construim noi dispozitive cu ușurință.”

Stelaratorii se bazează de obicei pe electromagneți complicati care au forme complexe și își creează câmpurile magnetice prin fluxul de electricitate. Acei electromagneți trebuie să fie construiți precis, cu foarte puțin spațiu de eroare, crescându-le costul.

Cu toate acestea, magneții permanenți, precum magneții care țin arta pe ușile frigiderului, nu au nevoie de curenți electrici pentru a-și crea câmpurile. Ele pot fi, de asemenea, comandate de la raft de la furnizori industriali și apoi încorporate într-o carcasă imprimată 3D în jurul vasului de vid al dispozitivului, care deține plasma.

„MUSE este construit în mare parte cu piese disponibile comercial”, a spus Michael Zarnstorff, un fizician de cercetare senior la PPPL și investigator principal al proiectului. „Colaborând cu companii de imprimare 3D și furnizori de magneti, putem cumpăra și cumpăra precizia de care avem nevoie, în loc să o facem singuri.”

Introspecția originală conform căreia magneții permanenți ar putea fi fundamentul unui nou, O varietate de stellarator mai accesibilă a venit la Zarnstorff în 2014. „Mi-am dat seama că, chiar dacă ar fi situați alături de alți magneți, magneții permanenți din pământuri rare ar putea genera și menține câmpurile magnetice necesare pentru a limita plasma, astfel încât reacțiile de fuziune să poată avea loc”, a spus Zarnstorff. „și aceasta este proprietatea care face ca această tehnică să funcționeze.”

Rezolvarea unei probleme de inginerie de lungă durată

Inventată în urmă cu mai bine de 70 de ani de către fondatorul PPPL Lyman Spitzer, stellaratorii sunt doar un concept pentru instalațiile de fuziune. Un altul este tokamak-ul în formă de gogoașă sau în formă de miez, cum ar fi National Spherical Torus Experiment-Upgrade de la PPPL, care limitează plasma folosind magneți relativ simpli. Timp de zeci de ani, acesta a fost designul preferat de oamenii de știință din întreaga lume, din cauza cât de bine conțin dispozitivele plasma.

Cu toate acestea, tokamak-urile se bazează și pe câmpurile magnetice create de curenții electrici care trec prin mijlocul plasmei. care creează instabilităţi care interferează cu reacţiile de fuziune. Cu toate acestea, Stellaratorii pot funcționa fără astfel de curenți și, prin urmare, pot funcționa pentru perioade nedeterminate de timp. Dar magneții lor complicati, care sunt greu de proiectat și construit, au însemnat de ani de zile că stellaratorii nu erau opțiuni economice sau practice pentru centralele de fuziune.

De aceea este atât de important succesul MUSE în a demonstra că stellaratorii pot funcționa folosind magneți simpli. „Magneții tipici stelarator sunt foarte greu de prelucrat, deoarece trebuie să faceți acest lucru foarte precis”, a spus Amelia Chambliss, studentă absolventă la Departamentul de Fizică Aplicată și Matematică Aplicată al Universității Columbia, care a ajutat la proiectarea MUSE în timpul unui stagiu de laborator de licență DOE la PPPL a acum cativa ani. „Așadar, ideea că putem folosi o mulțime de magneți discreti pentru a face treaba este foarte interesantă. Este o problemă de inginerie mult mai ușoară.”

Pe lângă faptul că este o descoperire inginerească, MUSE prezintă și o problemă teoretică. proprietate cunoscută sub numele de cvasisimetrie într-un grad mai mare decât a avut-o înainte orice alt stellarator. Este, de asemenea, primul dispozitiv finalizat oriunde în lume care a fost conceput special pentru a avea un tip de cvasisimetrie cunoscut sub numele de cvasisimetrie.

Conceput de fizicianul Allen Boozer de la PPPL la începutul anilor 1980, cvasimetria înseamnă că, deși forma a câmpului magnetic din interiorul stelarului poate să nu fie același în jurul formei fizice a stelarului, puterea câmpului magnetic este uniformă în jurul dispozitivului, ceea ce duce la o bună limitare a plasmei și la o probabilitate mai mare ca reacțiile de fuziune să apară. „De fapt, optimizarea quasisimetriei MUSE este de cel puțin 100 de ori mai bună decât orice stellarator existent”, a spus Zarnstorff.

„Faptul că am fost capabili să proiectăm și să construim acest stelarator este o reală realizare”, a spus Qian. .

În viitor, echipa PPPL intenționează să desfășoare o serie de experimente pentru a determina natura exactă a quasisimetriei MUSE și, astfel, să descopere cât de bine dispozitivul împiedică particulele fierbinți să se deplaseze din miezul plasmei către marginea, făcând reacțiile de fuziune mai dificile. Metodele vor include cartografierea mai precisă a câmpurilor magnetice și măsurarea modului în care plasma în rotație încetinește, ceea ce depinde de cvasisimetria dispozitivului.

MUSE demonstrează tipul de inovație posibil la un laborator național din SUA. „Pentru mine, cel mai important lucru despre MUSE este că reprezintă o modalitate creativă de a rezolva o problemă dificilă”, a spus Chambliss. „Folosește o mulțime de abordări inovatoare și deschise la minte pentru a rezolva problemele de lungă durată ale starratorilor. Atâta timp cât comunitatea continuă să gândească în acest mod flexibil, vom fi într-o formă bună.”

(Fluierul)