tokamak | Svět2000

Vědci nyní objevili světelné částice známé jako fotony, které by mohly pomoci při hledání energie z fúze.

Povaha světla může pomoci při hledání dokonalé elektřiny při fúzi

17. 9. 2024 Iveta Mauci 3 min read 204 Zobrazení ekologie, elektřina, energie, fotony, fúze, fyzika, světlo, tokamak

Vědci nyní objevili světelné částice známé jako fotony, které by mohly pomoci při hledání energie z fúze. Světlo prostupuje náš svět doslova i obrazně. Zahání tmu, přenáší telekomunikační signály mezi kontinenty a zviditelňuje neviditelné. Od vzdálených galaxií po nejmenší bakterie.

Provedením řady matematických výpočtů vědci zjistili, že jedna ze základních vlastností fotonu je topologická, což znamená, že se nemění, ani když se foton pohybuje různými materiály a prostředími.

Touto vlastností je polarizace, směr doleva nebo doprava, kterým se elektrická pole pohybují kolem fotonu. Kvůli základním fyzikálním zákonům pomáhá polarizace fotonu určit směr, kterým se foton pohybuje a omezuje jeho pohyb. Proto se paprsek světla tvořený pouze fotony s jedním typem polarizace nemůže šířit do každé části daného prostoru.

Protože se vědci po celém světě snaží využít proces fúze k výrobě ekologické elektřiny, pomáhá světlo také s ohřevem plazmy v zařízeních tvaru prstence, známých jako tokamaky.

Zjednodušení složitého problému

I když vědci studovali jednotlivé fotony, dělali to jako způsob, jak vyřešit větší a obtížnější problém, jak využít paprsky intenzivního světla k vybuzení dlouhotrvajících poruch v plazmatu, které by mohly pomoci udržet vysoké teploty potřebné pro fúzi.

Tyto vlny, známé jako topologické vlny, se v tokomaku vyskytují často na hranici dvou různých oblastí, jako je plazma a vakuum na jejich vnějším okraji. Nejsou nijak zvlášť exotické. V zemské atmosféře se vyskytují přirozeně. Bohužel pomáhají produkovat El Niño, když shromažďují teplé vody v Tichém oceánu, které ovlivňuje počasí v Severní a Jižní Americe.

Aby vědci vytvořili tyto vlny v plazmě, musí mít o světle lepší znalosti. Konkrétně o stejném druhu vysokofrekvenčních vln používaných v mikrovlnných troubách, které fyzici k ohřevu plazmy již používají.

Rotující pohyb

Kromě zjištění, že polarizace fotonu je topologická, vědci zjistili, že rotující pohyb fotonů nelze rozdělit na vnitřní a vnější složky. Představte si Zemi. Ta se otáčí kolem své osy. Vytváří den a noc, obíhá kolem Slunce a vytváří roční období. Tyto dva typy pohybu se obvykle navzájem neovlivňují.

Například rotace Země kolem její osy nezávisí na její rotaci kolem Slunce. Ve skutečnosti lze tímto způsobem oddělit otáčivý pohyb všech hmotných objektů.

Umělecké pojetí fotonů, částic, které tvoří světlo, rozrušující plazmu.

Fotony

Vědci si už ale nebyli tak jisti částicemi, jako jsou fotony, které nemají hmotnost.

„Přesnější porozumění základní povaze fotonů by mohlo vést k tomu, že vědci navrhnou lepší světelné paprsky pro ohřev a měření plazmatu,“ řekl Hong Qin, hlavní výzkumný fyzik z PPPL amerického ministerstva energetiky (DOE) a spoluautor článku, který uvádí výsledky v Physical Review D.

Většina experimentátorů předpokládá, že moment hybnosti světla lze rozdělit na spin a orbitální moment hybnosti. Mezi teoretiky se však vedla dlouhá debata o správném způsobu, jak toto dělení provést, nebo zda je vůbec možné toto dělení provést. Naše práce pomáhá urovnat tuto debatu a ukazuje, že moment hybnosti fotonů nelze rozdělit na spinové a orbitální složky, řekl Erik Palmerduca

Všechny tyto poznatky o fotonech dávají výzkumníkům jasnější obrázek o tom, jak se světlo chová. S větším pochopením světelných paprsků doufají, že přijdou na to, jak vytvořit topologické vlny, které by mohly být užitečné pro výzkum fúze.

Poznatky pro teoretickou fyziku

Palmerduca poznamenává, že nálezy fotonů demonstrují sílu PPPL v teoretické fyzice. Zjištění se vztahují k matematickému výsledku známému jako Věta o vlasech.

„Věta říká, že pokud máte kouli pokrytou vlasy, nemůžete si je všechny rozčesat naplocho, aniž byste vytvořili kouli. Fyzici si mysleli, že to znamená, že nemůžete mít světelný zdroj, který vysílá fotony ve všech směrech současně,“ řekl Palmerduca. On a Qin však zjistili, že to není správné, protože teorém nebere v úvahu, matematicky, že fotonová elektrická pole se mohou otáčet.

Zdroj: PPPL, EurekAlert, Energy.gov, Physical Review D

Výzkumníci úspěšně simulovali novou metodu řízení fúzního plazmatu vytvořením ostrova

17. 4. 2024 Iveta Mauci 0 komentářů 4 min read 303 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.