Сообщество термоядерных реакторов США недавно призвало немедленно предпринять усилия по проектированию и строительству экономически эффективной экспериментальной установки для выработки электроэнергии в 2040-х годах. Уникальные возможности флагмана PPPL, National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), который в настоящее время находится на ремонте, сделали его конструкцию кандидатом на эту роль. "Все дело в том, чтобы попытаться спрогнозировать, является ли этот маршрут благоприятным для экономически эффективной опытной установки и за ее пределами", - сказал главный физик Вальтер Гуттенфельдер, ведущий автор статьи в журнале Ядерный синтез это детализирует последние результаты.

Термоядерный синтез производит огромную энергию, объединяя легкие элементы, такие как водород, в форме плазмы, горячего, заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, или ионов. Плазма составляет 99 процентов видимой Вселенной и питает термоядерные реакции, которые производят тепло и свет, которые создают и поддерживают жизнь на Земле.

NSTX-U сферической формы производит плазму высокого давления, необходимую для термоядерных реакций, в относительно компактной и экономичной конфигурации. Эксплуатационные возможности установки значительно расширены по сравнению с ее предварительно модернизированным предшественником. "Основной мотивацией для NSTX-U является повышение мощности до еще более высоких магнитных полей, поддерживающих высокотемпературную плазму, чтобы увидеть, сохранятся ли ранее наблюдавшиеся благоприятные тенденции", - сказал Гуттенфельдер.

Недавняя теория, анализ и моделирование исследовательской группы NSTX-U предсказывают, что многие из этих тенденций должны быть продемонстрированы в новых экспериментах NSTX-U. Прогнозируемые условия эксплуатации для NSTX-U включают следующее:

Запуск плазмы. Моделирование было разработано для эффективной оптимизации инициирования и наращивания плазмы, и оно было применено, чтобы помочь установке сферического токамака в Соединенном Королевстве произвести свою первую плазму.

Понимание плазменного края. Новые модели моделируют динамику между краем плазмы и стенкой токамака, которая может определить, достигнет ли ядро плазмы температуры в 150 миллионов градусов, необходимой для проведения термоядерных реакций.

Применение искусственного интеллекта. Машинное обучение с искусственным интеллектом разработало быстрый способ оптимизации и контроля условий плазмы, которые точно соответствуют прогнозируемым целям тестирования.

Новые методы. Моделирование предполагает множество новых методов защиты внутренних компонентов NSTX-U от выбросов тепла выхлопных газов в результате термоядерных реакций. Среди этих концепций - использование испаренного лития для уменьшения воздействия теплового потока.

Стабильная производительность. Исследования показали, что окно для производительности NSTX-U может оставаться стабильным перед лицом нестабильности, которая может ухудшить работу.

Чего следует избегать. Лучшее понимание условий, которых следует избегать, достигается благодаря превосходному согласию между прогнозируемым диапазоном нестабильной плазмы и большой базой экспериментальных данных.

Таким образом, был достигнут значительный прогресс в понимании и проектировании того, как NSTX-U может способствовать развитию термоядерной энергии, Ядерный синтез в документе говорится. "Следующий шаг, - сказал Гуттенфельдер, - это посмотреть, подтверждают ли новые эксперименты то, что мы предсказываем, и уточнить прогнозы, если нет. Эти шаги вместе позволят более уверенно прогнозировать будущие устройства".

Поддержка этого исследования исходит от Управления науки Министерства энергетики США, при этом многие симуляции были созданы с использованием ресурсов Национального научно-вычислительного центра энергетических исследований, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США. Соавторами статьи являются исследователи из PPPL и 23 сотрудничающих учреждений по всему миру.