mikrovlny

Výzkumníci úspěšně simulovali novou metodu řízení fúzního plazmatu vytvořením ostrova

17. 4. 2024 Iveta Mauci 0 komentářů 4 min read 314 Zobrazení DOE, ECCD, fúze, jaderný reaktor, Laboratoř fyziky plazmatu v Princetonu, magnetické pole, mikrovlny, PPPL, simulace, tokamak

Fyzika Technologie TOP 10

*UMĚLECKÉ ZTVÁRNĚNÍ MAGNETICKÝCH OSTROVŮ*.

Ve svém pokračujícím úsilí vyvinout řadu metod pro řízení plazmy, aby ji bylo možné použít k výrobě elektřiny v procesu známém jako fúze, výzkumníci z Laboratoř fyziky plazmatu v Princetonu (PPPL) amerického ministerstva energetiky (DOE) ukázali, jak lze dvě staré metody zkombinovat a poskytnout tak větší flexibilitu.

Zatímco tyto dvě metody, známé jako elektronový cyklotronový proudový pohon (ECCD) a aplikace rezonančních magnetických perturbací (RMP), byly již dlouho studovány, je to poprvé, kdy výzkumníci simulovali, jak je lze použít společně k dosažení lepší kontroly plazmatu.

„Je to trochu nový nápad,“ řekl Qiming Hu, výzkumný fyzik ve společnosti PPPL a hlavní autor nového článku publikovaného v Nuclear Fusion o práci, která byla také experimentálně prokázána. „Kompletní možnosti se stále zjišťují, ale náš dokument odvádí skvělou práci při prohlubování našeho chápání potenciálních výhod.“

Vědci doufají, že nakonec budou fúzi využívat k výrobě elektřiny. Nejprve budou muset překonat několik překážek, včetně zdokonalení metod pro minimalizaci výbuchů částic z plazmatu, které jsou známé jako okrajové lokalizované módy (ELMs).

„Tyto výbuchy pravidelně uvolňují trochu tlaku, protože je ho příliš mnoho. Ale tyto výbuchy mohou být nebezpečné,“ řekl Hu, který pracuje pro PPPL v DIII-D National Fusion Facility, uživatelském zařízení DOE hostovaném společností General Atomics. DIII-D je tokamak, zařízení, které využívá magnetické pole k omezení fúzního plazmatu do tvaru koblihy. ELM mohou ukončit fúzní reakci a dokonce poškodit tokamak, takže výzkumníci vyvinuli mnoho způsobů, jak se jim vyhnout.

„Nejlepší způsob, jak se jim vyhnout, je použít rezonanční magnetické perturbace neboli RMP, které generují další magnetická pole,“ řekl hlavní výzkumný fyzik PPPL Alessandro Bortolon, který byl jedním ze spoluautorů článku.

Magnetická pole vytvářejí ostrůvky, mikrovlny je upravují

Magnetická pole, která původně působí v tokamaku, se obtáčejí kolem plazmatu ve tvaru torusu, a to jak na dlouhou stranu, kolem vnějšího okraje, tak na krátkou stranu, od vnějšího okraje a středovým otvorem. Dodatečná magnetická pole vytvořená RMP putují plazmatem a proplétají se dovnitř a ven jako kanalizační steh. Tato pole vytvářejí v plazmatu oválná nebo kruhová magnetická pole nazývaná magnetické ostrovy.

"Normálně jsou ostrovy v plazmě opravdu, opravdu špatné." Pokud jsou ostrovy příliš velké, může to narušit samotná plazma.“

Vědci však již z experimentů věděli, že za určitých podmínek mohou být ostrovy prospěšné. Nejtěžší je generovat dostatečně velké RMP na vytvoření ostrovů. Zde přichází na řadu ECCD, což je v podstatě injekce mikrovlnného paprsku. Výzkumníci zjistili, že přidání ECCD na okraj plazmy snižuje množství proudu potřebného k vytvoření RMP nezbytných k vytvoření ostrovů.

Injekce mikrovlnného paprsku také umožnila výzkumníkům zdokonalit velikost ostrůvků pro maximální stabilitu okraje plazmatu. Metaforicky, RMP fungují jako jednoduchý světelný spínač, který zapíná ostrůvky, zatímco ECCD funguje jako další stmívač, který umožňuje výzkumníkům upravit ostrůvky na ideální velikost pro zvládnutelnou plazmu.

„Naše simulace zpřesňuje naše chápání interakcí ve hře,“ řekl Hu. „Když bylo ECCD přidáno ve stejném směru jako proud v plazmě, šířka ostrova se zmenšila a tlak na podstavci se zvýšil. Aplikace ECCD v opačném směru přinesla opačné výsledky, se zvětšováním šířky ostrůvku a poklesem tlaku na podstavci nebo usnadněním otevírání ostrůvku.

ECCD na okraji, místo jádra

Výzkum je také pozoruhodný, protože ECCD byl přidán na okraj plazmy místo jádra, kde se obvykle používá.

„Obvykle si lidé myslí, že aplikace lokalizovaného ECCD na okraji plazmy je riskantní, protože mikrovlny mohou poškodit součásti uvnitř nádoby,“ řekl Hu. „Ukázali jsme, že je to proveditelné, a prokázali jsme flexibilitu tohoto přístupu. To by mohlo otevřít nové cesty pro navrhování budoucích zařízení.“

Snížením množství proudu potřebného k vytvoření RMP by tato simulační práce mohla v konečném důsledku vést ke snížení nákladů na výrobu energie z jaderné syntézy v komerčních zařízeních pro jadernou syntézu budoucnosti.

PPPL ovládá umění používat plazmu, čtvrté skupenství hmoty, k řešení některých z nejnáročnějších světových vědeckých a technologických výzev. Náš výzkum zasazený do areálu Forrestal Princetonské univerzity v Plainsboro, New Jersey, podněcuje inovace v řadě aplikací včetně energie z jaderné syntézy, výroby v nanoměřítku, kvantových materiálů a zařízení a vědy o udržitelnosti. Univerzita spravuje laboratoř pro Úřad vědy amerického ministerstva energetiky, který je největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách v zemi.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikovaná v časopise Jaderná fůze s volným přístupem.

Iveta Mauci

localhost/wp

Co je elektromagnetické záření?

28. 6. 2022 Petr Kovanda 6 min read 552 Zobrazení elektromagnetické záření, mikrovlny, wifi

Technologie TOP 10

Elektromagnetické záření je druh energie, která je všude kolem nás a má mnoho podob, jako jsou rádiové vlny, mikrovlny, rentgenové záření a gama záření. Sluneční světlo je také formou elektromagnetické energie, ale viditelné světlo je pouze malou částí elektromagnetického spektra, které obsahuje široký rozsah vlnových délek. Píše server livescience.com.

KDY BYL OBJEVEN ELEKTROMAGNETISMUS?

Elektromagnetické vlny se tvoří, když se elektrické pole (zobrazeno červenými šipkami) spojí s magnetickým polem (zobrazeno modrou šipkoui). Magnetická a elektrická pole elektromagnetické vlny jsou kolmá na sebe a na směr vlny.

Lidé věděli o elektřině a magnetismu od starověku, ale podle historie nebyly tyto pojmy dobře pochopeny až do 19. století. Od fyzika Garyho Bedrosiana z Rensselaerova Polytechnického institutu v Troy, New York. V roce 1873 skotský fyzik James Clerk Maxwell ukázal, že tyto dva jevy byly propojeny a vyvinul jednotnou teorii elektromagnetismu. Studium elektromagnetismu se zabývá tím, jak elektricky nabité částice interagují mezi sebou navzájem as magnetickými poli.

Maxwell vyvinul soubor vzorců, nazývaných Maxwellovy rovnice, k popisu různých interakcí elektřiny a magnetismu. Přestože zpočátku existovalo 20 rovnic, Maxwell je později zjednodušil na pouhé čtyři základní. Jednoduše řečeno, tyto čtyři rovnice říkají následující:

Síla přitažlivosti nebo odpuzování mezi elektrickými náboji je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.
Magnetické póly přicházejí v párech, které se navzájem přitahují a odpuzují, stejně jako elektrické náboje.
Elektrický proud v drátu vytváří magnetické pole, jehož směr závisí na směru proudu.
Pohybující se elektrické pole vytváří magnetické pole a naopak.

JAK VZNIKÁ ELEKTROMAGNETISMUS?

Elektromagnetické záření vzniká, když je nabitá atomová částice, například elektron, urychlena elektrickým polem, což způsobí její pohyb. Pohyb vytváří oscilující elektrická a magnetická pole, která se pohybují v pravém úhlu k sobě, podle online kurzu fyziky a astronomie od PhysLink.com. Vlny mají určité vlastnosti, udávané jako frekvence, vlnová délka nebo energie.

Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími vrcholy vlny, podle Korporátní Univerzity pro Výzkum atmosféry. Tato vzdálenost se udává v metrech nebo jejich zlomcích. Frekvence je počet vln, které se vytvoří za danou dobu.

Obvykle se měří jako počet vlnových cyklů za sekundu neboli hertz (Hz). Krátká vlnová délka znamená, že frekvence bude vyšší, protože jeden cyklus může projít za kratší dobu. Podobně delší vlnová délka má nižší frekvenci, protože dokončení každého cyklu trvá déle.

ČÁSTI ELEKTROMAGNETICKÉHO SPEKTRA

Elektromagnetické spektrum, od vln s nejvyšší frekvencí po nejnižší. Elektromagnetické spektrum je obecně rozděleno do sedmi oblastí, v pořadí klesající vlnové délky a rostoucí energie a frekvence: rádiové vlny, mikrovlny, infračervené, viditelné světlo, ultrafialové záření, rentgenové záření a gama záření.

Elektromagnetické záření pokrývá obrovský rozsah vlnových délek a frekvencí. Tento rozsah je známý jako elektromagnetické spektrum podle UCAR. Elektromagnetické spektrum je obecně rozděleno do sedmi oblastí v pořadí klesající vlnové délky a rostoucí energie a frekvence. Běžná označení jsou rádiové vlny, mikrovlny, infračervené (IR), viditelné světlo, ultrafialové (UV) světlo, rentgenové záření a gama záření.

Rádiové vlny

Rádiové vlny jsou v nejnižším rozsahu elektromagnetického spektra, s frekvencemi až asi 30 miliard hertzů nebo 30 gigahertzů (GHz) a vlnovými délkami většími než asi 0,4 palce (10 milimetrů). Rádio se používá především pro komunikaci, včetně hlasových, datových a zábavních médií.

Mikrovlny spadají do oblasti elektromagnetického spektra mezi rádiem a IR. Mají frekvence od přibližně 3 GHz do 30 bilionů hertzů nebo 30 terahertzů (THz) a vlnové délky přibližně 0,004 až 0,4 palce (0,1 až 10 mm). Mikrovlny se používají pro širokopásmovou komunikaci a radary, stejně jako jako zdroj tepla pro mikrovlnné trouby a průmyslové aplikace.

Infračervené záření

Infračervené záření je v rozsahu elektromagnetického spektra mezi mikrovlnami a viditelným světlem. IR má frekvence od přibližně 30 do 400 THz a vlnové délky přibližně 0,00003 až 0,004 palce (740 nanometrů až 100 mikrometrů). IR světlo je pro lidské oči neviditelné, ale při dostatečné intenzitě ho můžeme cítit jako teplo.

Viditelné světlo

Viditelné světlo se nachází uprostřed elektromagnetického spektra, mezi IR a UV. Má frekvence přibližně 400 až 800 THz a vlnové délky přibližně 0,000015 až 0,00003 palce (380 až 740 nanometrů). Obecněji je viditelné světlo definováno jako vlnové délky, které jsou viditelné pro většinu lidských očí.

Ultrafialové světlo

Ultrafialové světlo je rozsah elektromagnetického spektra mezi viditelným světlem a rentgenovým zářením. Má frekvence přibližně 8 × ¹⁰¹⁴ až 3 x ¹⁰¹⁶ Hz a vlnové délky přibližně 0,0000004 až 0,000015 palce (10 až 380 nanometrů). UV světlo je součástí slunečního záření, ale pro lidské oko je neviditelné. Má četné lékařské a průmyslové aplikace, ale může poškodit živou tkáň.

Rentgenové snímky

Rentgenové záření je zhruba rozděleno do dvou typů: měkké rentgenové záření a tvrdé rentgenové záření. Měkké rentgenové záření tvoří rozsah elektromagnetického spektra mezi UV a gama zářením. Měkké rentgenové záření má frekvence asi 3 × 10 ¹⁶ až 10 ¹⁸ Hz a vlnové délky asi 4 × 10 ⁻⁷ až 4 × 10 ⁻⁸ palce (100 pikometrů až 10 nanometrů). Tvrdé rentgenové záření zaujímá stejnou oblast elektromagnetického spektra jako záření gama. Jediný rozdíl mezi nimi je jejich zdroj: rentgenové záření je produkováno urychlujícími elektrony, zatímco gama záření je produkováno atomovými jádry.

Gama paprsky

Gama záření je v rozsahu spektra nad měkkým rentgenovým zářením. Gama-paprsky mají frekvence vyšší než asi 10 ¹⁸ Hz a vlnové délky menší než 4 × 10 ⁻⁹ palce (100 pikometrů). Gama záření způsobuje poškození živé tkáně, díky čemuž je užitečné pro zabíjení rakovinných buněk, když je aplikováno v pečlivě odměřených dávkách do malých oblastí. Nekontrolovaná expozice je však pro člověka extrémně nebezpečná.

ZAJÍMAVÉ ZDROJE:

Prozkoumejte dále elektromagnetické spektrum pomocí této interaktivní stránky z NASA.
Převádějte mezi vlnovou délkou a frekvencí a naučte se velikost různých elektromagnetických vln pomocí této kalkulačky z HyperPhysics, webové stránky hostované Georgia State University.
Přečtěte si průkopnické pojednání Jamese Clerka Maxwella z roku 1873 o elektřině a magnetismu online.

Zdroj: Livescience

Petr Kovanda