Forskere designer enklere magneter for kronglete anlegg som kan føre til steady-state fusjonsdrift

Å utnytte kraften som får sola og stjernene til å skinne kan gjøres enklere med kraftige magneter med rettere former enn det som er laget før. Forskere knyttet til US Department of Energy’s (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har funnet en måte å lage slike magneter for fusjonsanlegg kjent som stellaratorer.

Slike anlegg har komplekse vridde magnetspoler, sammenlignet med de rette opp-og-ned-spolene i mer utbredte tokamak-anlegg, og kan produsere fusjonsreaksjoner uten risiko for forstyrrelser som tokmaks står overfor. Denne fordelen gjør stellaratorer til en kandidat til å tjene som modell for et neste generasjons fusjonspilotanlegg.

Nå, ved å legge til seksjoner til stjernespolene som er relativt rette, kan forskere både redusere produksjonskostnadene og gjøre det enklere å installere åpninger som vil tillate teknikere å reparere enhetens indre. Begge innovasjonene kan hjelpe utviklingen av et stjernekraftverk, som replikerer fusjon på jorden for en praktisk talt uuttømmelig kraftforsyning for å generere elektrisitet uten å produsere drivhusgasser eller langlivet radioaktivt avfall.

“I fremtiden vil folk måtte bytte ut komponenter i stjernestjerner ettersom de slites ut, noe som krever store åpninger mellom spolene til magnetene,” sa fysiker Caoxiang Zhu, en forfatter av avisen som rapporterer resultatene i Kjernefysisk fusjon som fullførte forskningen da han var ansatt ved PPPL. Han er nå ansatt ved University of Science and Technology i Kina. “Men det er vanskelig å ha store åpninger i stjerner fordi de elektromagnetiske spolene går i sikk og sakk og er veldig komplekse.” Men ved å bruke en matematisk teknikk kjent som “spline-representasjon”, var Zhu og de andre samarbeidspartnerne i stand til å designe magneter med rettere seksjoner enn før, mens de fortsatt skapte magnetiske felt som kan begrense plasma. Disse rette seksjonene kan gi gode plasseringer for vinduer.

Oppfunnet av astrofysiker Lyman Spitzer, PPPLs første direktør, er stellaratorer fusjonsanleggskonsepter som bruker kraftige magneter for å skape sammenvevde magnetiske felt som begrenser plasma, varm gass bestående av elektroner og nakne atomkjerner. Stellaratorer har fordeler fremfor tokamaks, smultringformede enheter som for tiden er det mest populære konseptet for fusjonsanlegg over hele verden, men deres fantastisk kompliserte magneter har gjort design og konstruksjon utfordrende.

Zhu og forskerne la til spline-funksjonen til Zhus FOCUS-datakode. For å teste konseptet designet teamet magneter som kunne passe på Helically Symmetric eXperiment (HSX), en stjernebilde ved University of Wisconsin-Madison.

Den oppdaterte koden viste at forskere kunne lage rettere magneter enn før, samtidig som de bevarte deres styrke og nøyaktighet. “I prinsippet kan du alltid lage rettere spoler, men avveiningen er at deres magnetiske felt kanskje ikke begrenser plasmaet så vel som de som produseres av vridbare spoler,” sa Nicola Lonigro, en student ved DOEs Science Undergraduate Laboratory Internship ( SULI)-programmet på tidspunktet for forskningen, hovedforfatter av artikkelen, og nå en Ph.D. kandidat ved University of York i Storbritannia. “Men vår forskning viste at du kan gjøre en enklere Spole med rettere partier som gjør det samme magnetfelt form og styrke som konvensjonelle gjør.”

Å lage enklere magneter kan hjelpe utviklingen av en stellarator fusjonskraftverk. “På lang sikt er dette arbeidet et bidrag til den større innsatsen som prøver å gjøre stjerner kommersielt levedyktige,” sa Lonigro.

---

---