利用地球上的太阳能量:恒星聚变能性能的重大进展

W7-X星体模式

Wendelstein 7-X恒星仪模式。来源:马克斯·普朗克等离子体物理研究所

恒星加速器是一种扭曲的磁性装置,旨在利用地球上为太阳和恒星提供能量的聚变能,长期以来,它一直是被称为托卡马克(tokamaks)的更广泛使用的甜甜圈状设施的第二位。这个情结扭曲了恒星仪磁铁一直很难设计,以前允许聚变反应产生更大的超高温泄漏。

现在,马克斯·普朗克等离子体物理研究所(IPP)的科学家与包括美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室在内的研究人员合作(PPPL)的研究表明,位于德国格雷夫斯瓦尔德的温德尔斯坦7-X (W7-X)装置是世界上最大、最先进的恒星,能够限制达到太阳核心两倍温度的热量。

关键指标

诊断仪器称为XICS,主要是设计,构建,和由PPPL物理学家Novimir Pablant与IPP物理学家Andreas Langenberg合作,是一个关键的指标大幅减少热损失的一种被称为“新古典主义运输”,历来是古典仿星器比在托卡马克装置。造成这种麻烦的运输的是频繁的碰撞,当热粒子绕着限制它们的磁力线旋转时,碰撞将它们撞出轨道。粒子轨道上的漂移对传输起着重要作用。

Novimir Pablant

PPPL物理学家诺维米尔·帕布兰特用计算机模拟了W7-X磁线圈和等离子体。资料来源:通讯办公室Elle Starkman拍摄的Pablant和拼贴的照片。IPP的计算机模拟

一个最近的报告在…上W7-X发现自然杂志证实了设计师们成功地塑造了复杂扭曲的恒星磁铁,以减少新古典主义的传输。该论文的第一作者是IPP理论部门的物理学家Craig Beidler。“对于核聚变来说,这个设计已经成功,这真是令人兴奋的消息,”帕布兰特说,他是这篇论文的合著者之一。“这清楚地表明,这种优化是可以做到的。”

PPPL高级项目部主管大卫·盖茨(David Gates)负责监督该实验室的恒星研究工作,他也非常热情。盖茨说:“对于PPPL和所有其他美国合作机构来说,成为这一令人兴奋的实验的一部分,是非常令人兴奋的。”“诺维的工作一直是这个了不起的实验团队努力的中心。我非常感谢我们的德国同事如此慷慨地支持我们的参与。”

无碳电力

融合科学家们试图制造出的这种物质,将轻元素以化学物质的形式结合在一起等离子体——由自由电子和原子核或离子组成的热的带电物质状态,构成了99%的可见宇宙——以产生大量的能量。在地球上生产可控的核聚变,将为人类提供几乎取之不尽的安全、清洁和无碳的电力来源,并成为远离化石燃料的主要贡献者。

Andreas Langenberg和Novimir Pablant

IPP物理学家Andreas Langenberg(左)和PPPL物理学家Novimir Pablant在W7-X上安装XICS诊断之前。来源:Scott Massida摄

在20世纪50年代PPPL创始人Lyman Spitzer的领导下首次建造的恒星探测器,可以在稳定的状态下运行,几乎没有风险等离子体托卡马克面临的破坏。然而,它们的复杂性和相对较差的热约束历史阻碍了它们的发展。W7-X的优化设计的一个主要目标是证明优化的恒星器作为最终聚变发电厂的适当性。W7-X于2015年生产了第一个等离子体。

由XICS获得的结果表明,如果没有新古典输运的急剧降低,热离子温度是不可能达到的。这些测量也是由IPP建立和运行的CXRS诊断系统进行的,该系统被认为更加准确,但不能在所有条件下进行。《自然》报告中的最终温度剖面来自CXR,并由类似等离子体中的XICS测量结果支持。

“非常有价值”

W7-X加热和运行部门负责人、论文合著者罗伯特·沃尔夫(Robert Wolf)说:“如果没有XICS,我们可能不会发现这种(良好的约束)机制。我们需要一种现成的离子温度测量,这是非常有价值的。”

研究人员进行了一项思想实验,以检查优化在限制结果中所起的作用。实验发现,在未优化的恒星中,大的新古典输运会使W7-X上记录的高温在给定的加热功率下不可能实现。“这表明优化后的W7-X形状减少了新古典输运,对于W7-X实验中看到的性能是必要的,”Pablant说。“这是一种展示优化有多重要的方式。”

他补充说,研究结果标志着基于W7-X设计的恒星加速器朝着实现实用聚变反应堆的方向迈出了一步。“但减少新古典主义输运并不是你必须做的唯一事情。还有一大堆其他目标需要证明,包括稳定运行和减少湍流输运。”产生湍流传输的是作为第二个主要热损失源贯穿等离子体的波纹和涡流。

W7-X将在2022年重新开放,经过三年的升级,安装水冷系统,延长聚变实验时间,并安装改进的偏滤器,排放高性能热量。升级将使W7-X研究人员对优化恒星的价值进行调查的下一步能够成为po的蓝图发电厂。

这项工作得到了欧洲原子研究和培训计划以及美国能源部科学办公室的支持。

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