Ученые добились выдающегося прорыва в концептуальном проектировании извилистых стеллараторов, экспериментальных магнитных установок, которые могли бы воспроизвести на Земле термоядерную энергию, питающую Солнце и звезды. Прорыв показывает, как более точно формировать окружающие магнитные поля в стеллараторах, чтобы создать беспрецедентную способность удерживать термоядерное топливо вместе.
«Ключевым моментом была разработка программного обеспечения, позволяющего быстро опробовать новые методы проектирования», — сказала Элизабет Пол, научный сотрудник Принстонского университета в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и соавтор исследования. документ, который детализирует находку в Physical Review Letters . Результаты, полученные Полом и ведущим автором Мэттом Ландреманом из Университета Мэриленда, могут повысить способность стеллараторов собирать термоядерный синтез для выработки безопасной и безуглеродной электроэнергии для человечества.
Стелларатор ренессанс
Стеллараторы, изобретенные астрофизиком из Принстона и основателем PPPL Лайманом Спитцером в 1950-х годах, уже давно отошли на второй план по сравнению с токамаками во всемирных усилиях по производству управляемой термоядерной энергии. Но недавние разработки, в том числе впечатляющие характеристики стелларатора Wendelstein 7-X (W7-X) в Германии, обширные результаты большого спирального устройства (LHD) в Японии, многообещающие результаты спирально-симметричного эксперимента (HSX) в Мэдисоне , штат Висконсин, и предложенное использование простых постоянных магнитов для замены сложных катушек стелларатора вызвало возрождение интереса к извилистым машинам.
Термоядерный синтез создает огромную энергию во всей Вселенной путем объединения легких элементов в форме плазмы, горячего заряженного состояния материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер или ионов, которая составляет 99 процентов видимой Вселенной. Стеллараторы могут производить лабораторные версии процесса без риска разрушительных сбоев, с которыми сталкиваются более широко используемые установки для синтеза токамаков.
Однако закрученные магнитные поля в стеллараторах были менее эффективны в ограничении траекторий ионов и электронов, чем обычно делают симметричные поля в форме пончика в токамаках, вызывая большие и устойчивые потери экстремального тепла, необходимого для объединения ионов. высвободить энергию синтеза. Более того, сложные катушки, создающие поля стелларатора, сложно спроектировать и построить.
Текущий прорыв создает то, что называется «квазисимметрией» в стеллараторах, что почти соответствует удерживающей способности симметричных полей токамака. В то время как ученые давно пытались создать квазисимметрию в закручивающихся стеллараторах, новое исследование разработало прием, позволяющий создать ее почти точно. В трюке используется новое программное обеспечение с открытым исходным кодом под названием SIMSOPT (Simons Optimization Suite), которое предназначено для оптимизации стеллараторов путем медленного уточнения смоделированной формы границы плазмы, которая отмечает магнитные поля. «Возможность автоматизации и быстрого опробования с помощью этого нового программного обеспечения делает эти конфигурации возможными», — сказал Ландреман.
По его словам, ученые также могут применить полученные данные для изучения астрофизических проблем. В Германии команда разрабатывает квазисимметричный стелларатор для локализации и изучения частиц антивещества, таких как найденные в космосе. «Это точно такая же проблема, как и при термоядерном синтезе», — сказал Ландреман. «Вам просто нужно убедиться, что частицы остаются ограниченными».
Прорывные предположения
Прорыв сделал некоторые упрощающие предположения, которые потребуют улучшения. Например, для простоты исследования рассматривался режим, при котором давление и электрический ток в плазме малы. «Мы сделали несколько упрощающих предположений, но исследование — это значительный шаг вперед, потому что мы показали, что на самом деле можно получить точную квазисимметрию, которая долгое время считалась невозможной», — сказал Пол.
Также требуется дальнейшая разработка, прежде чем результаты могут быть реализованы, новые катушки стелларатора и детальное проектирование конструкции стелларатора. Магнитное поле может частично обеспечиваться постоянными магнитами, которые PPPL разрабатывает для упрощения современных скрученных катушек стелларатора . «Самые большие недостающие части — это магниты, давление и ток», — сказал Ландреман.
Работа Пола над документом PRL является одним из достижений второго года ее президентской стипендии в Принстоне. Ранее она выиграла высококонкурентную премию Маршалла Н. Розенблюта за выдающуюся докторскую диссертацию 2021 года Американского физического общества за свою диссертацию в Университете Мэриленда, над которой Ландреман был советником. Сейчас она работает с аспирантом PPPL Ричардом Найсом, который недавно опубликовал статью, в которой применяются математические инструменты, разработанные в ее диссертации в Мэриленде, для ускорения получения квазисимметрии.
За работой Пола в Принстоне следит физик из PPPL Амитава Бхаттачарджи, профессор астрофизических наук из Принстона, который также курирует проект «Скрытые симметрии и термоядерная энергия», спонсируемый Фондом Саймонса в Нью-Йорке, который финансировал статью PRL. «Работа Мэтта и Элизабет умело использует математические и вычислительные инструменты, разработанные в последние годы для оптимизации стелларатора, и доказывает, что мы можем проектировать квазисимметричные магнитные поля стелларатора с беспрецедентным уровнем точности. Это триумф вычислительного дизайна».
Работа Stellarator над проектом Simons параллельна исследованиям PPPL по разработке многообещающего устройства, изобретенного Лабораторией около 70 лет назад. Такая разработка объединит лучшие характеристики стеллараторов и токамаков для создания безотказной установки с сильным удержанием плазмы для воспроизведения практически неограниченного источника термоядерной энергии.
