흐름에 따라 이동: 전기 이동에 대한 새로운 발견은 융합 장치를 개선할 수 있음

흐름에 따라 이동: 전기 이동에 대한 새로운 발견은 융합 장치를 개선할 수 있음
날짜:
2022년 7월 19일
원천:
DOE/Princeton 플라즈마 물리학 연구소
요약:
연구원들은 저항으로 알려진 물리적 특성을 포함하도록 수학적 모델을 업데이트하면 토카막으로 알려진 도넛 모양의 핵융합 시설 설계를 개선할 수 있음을 발견했습니다.

미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 연구원들은 저항으로 알려진 물리적 특성을 포함하도록 수학적 모델을 업데이트하면 토카막으로 알려진 도넛 모양의 핵융합 시설 설계가 개선될 수 있음을 발견했습니다.

공동 연구자 중 한 명인 PPPL 물리학자 나다니엘 페라로(Nathaniel Ferraro)는 "저항은 전기의 흐름을 억제하는 모든 물질의 특성입니다. "그것은 유체의 점성과 비슷하여 물체가 통과하는 것을 억제합니다. 예를 들어 돌은 물보다 당밀을 통해 더 천천히 움직이고 공기보다 물을 통해서는 더 천천히 움직입니다."

과학자들은 저항이 온도와 압력이 급격히 상승하는 플라즈마 가장자리에서 불안정성을 유발할 수 있는 새로운 방법을 발견했습니다. 과학자들은 가시 우주의 99%를 구성하는 전자와 원자핵의 수프인 플라즈마의 거동을 예측하는 모델에 저항을 통합함으로써 플라즈마를 보다 안정적으로 만드는 미래 핵융합 시설을 위한 시스템을 설계할 수 있습니다.

PPPL 물리학자인 Andreas Kleiner는 "우리는 이 지식을 사용하여 특정 플라즈마 특성을 연결하고 실제 실험을 수행하기 전에 플라즈마가 안정적인지 예측할 수 있는 모델을 개발하는 방법을 알아내고자 합니다."라고 말했습니다. 핵융합 의 결과를 보고하는 논문의 주저자 . "기본적으로, 이 연구에서 우리는 저항이 중요하며 우리 모델에 저항이 포함되어야 한다는 것을 알았습니다."라고 Kleiner가 말했습니다.

태양과 별을 움직이는 힘인 융합은 자유 전자와 원자핵으로 구성된 뜨겁고 하전된 물질의 상태인 플라즈마 형태의 가벼운 요소를 결합하고 엄청난 양의 에너지를 생성합니다. 과학자들은 전기를 생성하기 위해 거의 무진장한 전력 공급을 위해 지구에서 핵융합을 이용하려고 합니다.

과학자들은 불안정성이 시간이 지남에 따라 토카막의 내부 구성 요소를 손상시킬 수 있는 ELM(edge-localized mode)으로 알려진 플라즈마 분출로 이어질 수 있으므로 이러한 구성 요소를 더 자주 교체해야 하기 때문에 플라즈마가 안정적이기를 원합니다. 그러나 미래의 핵융합로는 한 번에 몇 달 동안 수리를 위해 멈추지 않고 가동해야 합니다.

Ferraro는 "우리는 이러한 미래 시설의 플라즈마가 엄청나게 비싸고 시간이 많이 소요되는 본격적인 프로토타입을 만들 필요 없이 안정적일 것이라는 확신이 필요합니다."라고 말했습니다. "에지 국부적 모드 및 기타 현상의 경우 플라즈마 안정화에 실패하면 이러한 시설에서 손상되거나 부품 수명이 단축될 수 있으므로 올바르게 처리하는 것이 매우 중요합니다."

물리학자들은 EPED로 알려진 컴퓨터 모델을 사용하여 기존 토카막에서 플라즈마의 거동을 예측하지만 구형 토카막으로 알려진 다양한 플라즈마 기계에 대한 코드에 의해 생성된 예측이 항상 정확한 것은 아닙니다. 물리학자들은 핵이 있는 사과와 유사한 PPPL의 NSTX-U(National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade)와 같은 소형 시설인 구형 토카막을 핵융합 파일럿 플랜트의 가능한 설계로 연구하고 있습니다.

캘리포니아 버클리에 있는 Lawrence Berkeley 국립 연구소의 DOE Office of Science 사용자 시설인 National Energy Research Scientific Computing Center의 고성능 컴퓨터를 사용하여 Kleiner와 팀은 플라즈마 모델에 저항을 추가하려고 시도했고 예측이 일치하기 시작했음을 발견했습니다. 관찰.

PPPL의 Tokamak 실험 과학 부서 책임자인 Rajesh Maingi는 "Andreas는 이전의 여러 플라즈마 방전 데이터를 조사한 결과 저항 효과가 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. "실험에 따르면 이러한 효과가 아마도 우리가 보고 있던 ELM을 유발했을 것입니다. 개선된 모델은 ELM을 제거하기 위해 미래 시설에서 플라즈마 프로파일을 변경하는 방법을 보여줄 수 있습니다."

이러한 유형의 컴퓨터 모델을 사용하는 것은 물리학자가 미래의 핵융합 기계에서 플라즈마가 무엇을 할 것인지 예측하고 이러한 기계를 설계하여 플라즈마가 핵융합 가능성을 높이는 방식으로 작동하도록 하는 표준 절차입니다. "기본적으로 모델은 플라즈마 거동을 설명하는 일련의 수학 방정식입니다."라고 Ferraro는 말했습니다.

"그리고 모든 모델은 가정을 포함합니다. 이 연구에서 사용된 것과 같은 일부 모델은 플라즈마를 유체로 설명합니다. 일반적으로 모든 물리학을 포함하는 모델을 가질 수 없습니다. 풀기에는 너무 어려울 것입니다. . 계산하기에 충분히 간단하지만 관심 있는 현상을 포착할 수 있을 만큼 충분히 완전한 모델을 원합니다. Andreas는 저항이 우리 모델에 포함해야 하는 물리적 효과 중 하나라는 것을 발견했습니다."

이 연구는 Kleiner 등이 수행한 과거 계산을 기반으로 합니다. NSTX-U 이전 시스템인 NSTX에서 생성된 더 많은 방전을 분석하고 ELM이 발생하지 않는 시나리오를 조사하여 이러한 결과에 추가합니다. 이 연구는 또한 과학자들이 저항으로 인한 불안정성이 압력이 아니라 플라즈마 전류에 의해 유발된다는 것을 결정하는 데 도움이 되었습니다.

미래 연구는 왜 저항이 구형 토카막에서 이러한 유형의 불안정성을 생성하는지 결정하는 데 초점을 맞출 것입니다. Kleiner는 "어떤 속성이 플라즈마 가장자리에서 저항 모드를 표시하는지 아직 모릅니다. 구형 토러스 기하학, 일부 시설의 내부를 코팅하는 리튬 또는 플라즈마의 길쭉한 모양의 결과일 수 있습니다."라고 말했습니다. "그러나 이것은 추가 시뮬레이션을 통해 확인해야 합니다."