Zespół naukowców pracujących w National Ignition Facility (USA), odkrył, że pokrycie cylindra zawierającego niewielką ilość paliwa wodorowego cewką magnetyczną i wystrzelenie w niego laserów trzykrotnie zwiększa wydajność energetyczną systemu.
Reaktor fuzji jądrowej, wizja artystyczna >>
Duże w nowym oknie >>
Fuzja jądrowa mogłaby stanowić czyste źródło energii, ale jednym z wyzwań technologicznych jest utrzymanie paliwa w wystarczająco wysokiej temperaturze przez wystarczająco długi czas. W technice zwanej fuzją inercyjną (ICF - inertial confinement fusion) - gdzie lasery inicjują reakcję jądrową - wykazano, że pole magnetyczne stabilizujące kapsułkę z paliwem znacznie poprawia jej ogrzewanie.
W najprostszej wersji ICF, zsynchronizowane impulsy laserowe uderzają w kapsułę wypełnioną zimnym paliwem wodorowym, powodując jej implozję. Implozja podgrzewa paliwo i tworzy obszar płonącej plazmy. Ten "gorący punkt" służy jako iskra, która inicjuje spalanie w całym paliwie, napędzając samopodtrzymującą się reakcję fuzji, która uwalnia energię.
Jednak implozje te mogą nie wygenerować znaczącej energii fuzji, jeśli paliwo ma małe niedoskonałości na swojej powierzchni lub jeśli lasery nie są idealnie zgrane w czasie. Gdyby jednak paliwo można było podgrzać do temperatury wyższej niż to było możliwe w ostatnich eksperymentach, istniałby większy margines błędu, co mogłoby złagodzić wrażliwość na takie szczegóły.
W 2012 roku badacze z zakładu laserowego OMEGA na Uniwersytecie Rochester w Nowym Jorku wykazali, że pole magnetyczne znacząco zmienia przepływ ciepła w paliwie podgrzewanym laserowo. Pole to, w efekcie, zapewnia izolację wokół najgorętszego regionu paliwa, oferując sposób na poprawę ogrzewania i ostatecznie wydajności reakcji. "To jak gruby rękaw styropianowy, który utrzymuje gorącą kawę bez poparzenia dłoni" - mówi John Moody z National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Kalifornii.
W obecności pola magnetycznego elektrony w plazmie są zmuszone do podążania spiralną ścieżką wzdłuż linii pola magnetycznego, dzięki czemu rzadziej zderzają się ze sobą. Takie zachowanie spowalnia przepływ ciepła do zimniejszego paliwa otaczającego plazmę i dostarcza dodatkowego ciepła w obrębie gorącego punktu.
Wyniki OMEGA potwierdziły podstawową koncepcję, ale nie mogły być zastosowane bezpośrednio w NIF, ponieważ NIF używa konstrukcji zwanej napędem pośrednim, w której impulsy laserowe ogrzewają wydrążony złoty cylinder tak bardzo, że świeci on w promieniach rentgenowskich. Promieniowanie to z kolei oświetla i podgrzewa kapsułę paliwową, która znajduje się wewnątrz cylindra, i powoduje jej implozję.
Wystawienie złotego cylindra na działanie silnego pola magnetycznego spowodowałoby wytworzenie w jego ścianach prądów elektrycznych, które zniszczyłyby go. Aby obejść ten problem, Moody i jego koledzy eksperymentowali ze stopami, aby stworzyć metalowy cylinder o niskiej przewodności elektrycznej. Odkryli, że stop złota i tantalu (AuTa4) może tolerować wysokie pole magnetyczne.
Zespół NIF przeprowadził eksperymenty z użyciem cylindra wykonanego z tego stopu wraz z kapsułą paliwową wypełnioną czystym deuterem, formą wodoru. Zastosowano 26-teslowe pole magnetyczne, przepuszczając prąd przez cewkę z drutu owiniętą wokół cylindra, tuż przed włączeniem laserów. W porównaniu z eksperymentami bez pola magnetycznego, temperatura generowanego przez laser gorącego punktu wzrosła o 40%.
Wydajność energetyczna, mierzona poprzez liczenie liczby neutronów wytwarzanych podczas fuzji, wzrosła 3-krotnie. Według Pascala Loiseau, fizyka plazmy z francuskiej Komisji Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA), wyniki te są "niezwykłe" i stanowią dowód koncepcji wspomagania magnetycznego w NIF.
Aby zmniejszyć ryzyko dla sprzętu i obniżyć wydatki na infrastrukturę, zespół NIF uprościł konfigurację dla tych pierwszych eksperymentów. Zmniejszyli moc lasera, utrzymywali paliwo w temperaturze pokojowej i używali samego deuteru.
W przyszłych eksperymentach o większej mocy, wykorzystujących dwie formy paliwa wodorowego (deuter i tryt), Moody przewiduje drugi efekt, który zwiększy wydajność. Cząstki wysokoenergetyczne powstające podczas reakcji jądrowych zostaną uwięzione przez linie pola. Te naładowane cząstki spędzą więcej czasu na gromadzeniu energii w gorącym punkcie, dostarczając więcej ciepła zanim uciekną.
Źródło: Physics.aps.org: Magnetic Field Heats Up Fusion
J. D. Moody et al --> Physical Review Letters --> Increased Ion Temperature and Neutron Yield Observed in Magnetized Indirectly Driven D2 -Filled Capsule Implosions on the National Ignition Facility --> DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.195002
W najprostszej wersji ICF, zsynchronizowane impulsy laserowe uderzają w kapsułę wypełnioną zimnym paliwem wodorowym, powodując jej implozję. Implozja podgrzewa paliwo i tworzy obszar płonącej plazmy. Ten "gorący punkt" służy jako iskra, która inicjuje spalanie w całym paliwie, napędzając samopodtrzymującą się reakcję fuzji, która uwalnia energię.
Jednak implozje te mogą nie wygenerować znaczącej energii fuzji, jeśli paliwo ma małe niedoskonałości na swojej powierzchni lub jeśli lasery nie są idealnie zgrane w czasie. Gdyby jednak paliwo można było podgrzać do temperatury wyższej niż to było możliwe w ostatnich eksperymentach, istniałby większy margines błędu, co mogłoby złagodzić wrażliwość na takie szczegóły.
W tym eksperymencie w National Ignition Facility 192 wiązki laserowe (kolor fioletowy) ogrzewają metalowy cylinder, którego promienie rentgenowskie ogrzewają sferyczną kapsułę paliwową (środek), napędzając reakcję fuzji. Cewka z drutu (kolor miedziany) wytwarza silne pole magnetyczne, które może potroić wydajność energetyczną reakcji fuzji, wizja artystyczna >>
Duże w nowym oknie >>
Duże w nowym oknie >>
W obecności pola magnetycznego elektrony w plazmie są zmuszone do podążania spiralną ścieżką wzdłuż linii pola magnetycznego, dzięki czemu rzadziej zderzają się ze sobą. Takie zachowanie spowalnia przepływ ciepła do zimniejszego paliwa otaczającego plazmę i dostarcza dodatkowego ciepła w obrębie gorącego punktu.
Wyniki OMEGA potwierdziły podstawową koncepcję, ale nie mogły być zastosowane bezpośrednio w NIF, ponieważ NIF używa konstrukcji zwanej napędem pośrednim, w której impulsy laserowe ogrzewają wydrążony złoty cylinder tak bardzo, że świeci on w promieniach rentgenowskich. Promieniowanie to z kolei oświetla i podgrzewa kapsułę paliwową, która znajduje się wewnątrz cylindra, i powoduje jej implozję.
Wystawienie złotego cylindra na działanie silnego pola magnetycznego spowodowałoby wytworzenie w jego ścianach prądów elektrycznych, które zniszczyłyby go. Aby obejść ten problem, Moody i jego koledzy eksperymentowali ze stopami, aby stworzyć metalowy cylinder o niskiej przewodności elektrycznej. Odkryli, że stop złota i tantalu (AuTa4) może tolerować wysokie pole magnetyczne.
Zespół NIF przeprowadził eksperymenty z użyciem cylindra wykonanego z tego stopu wraz z kapsułą paliwową wypełnioną czystym deuterem, formą wodoru. Zastosowano 26-teslowe pole magnetyczne, przepuszczając prąd przez cewkę z drutu owiniętą wokół cylindra, tuż przed włączeniem laserów. W porównaniu z eksperymentami bez pola magnetycznego, temperatura generowanego przez laser gorącego punktu wzrosła o 40%.
Wydajność energetyczna, mierzona poprzez liczenie liczby neutronów wytwarzanych podczas fuzji, wzrosła 3-krotnie. Według Pascala Loiseau, fizyka plazmy z francuskiej Komisji Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA), wyniki te są "niezwykłe" i stanowią dowód koncepcji wspomagania magnetycznego w NIF.
Aby zmniejszyć ryzyko dla sprzętu i obniżyć wydatki na infrastrukturę, zespół NIF uprościł konfigurację dla tych pierwszych eksperymentów. Zmniejszyli moc lasera, utrzymywali paliwo w temperaturze pokojowej i używali samego deuteru.
W przyszłych eksperymentach o większej mocy, wykorzystujących dwie formy paliwa wodorowego (deuter i tryt), Moody przewiduje drugi efekt, który zwiększy wydajność. Cząstki wysokoenergetyczne powstające podczas reakcji jądrowych zostaną uwięzione przez linie pola. Te naładowane cząstki spędzą więcej czasu na gromadzeniu energii w gorącym punkcie, dostarczając więcej ciepła zanim uciekną.
Źródło: Physics.aps.org: Magnetic Field Heats Up Fusion
J. D. Moody et al --> Physical Review Letters --> Increased Ion Temperature and Neutron Yield Observed in Magnetized Indirectly Driven D2 -Filled Capsule Implosions on the National Ignition Facility --> DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.195002
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz